DE102011005736B4

DE102011005736B4 - Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Spiegels

Info

Publication number: DE102011005736B4
Application number: DE102011005736A
Authority: DE
Inventors: Dr. Köckert Christoph; Markus Berendt
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: DE102011005736A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels, indem auf einem Substrat (S) ein Reflexionsschichtsystem (RSS), welches eine metallische Reflexionsschicht (R) und eine benachbart zur metallischen Reflexionsschicht (R) angeordnete metallische, reflektierende Funktionsschicht (F) aufweist, wobei die metallische Reflexionsschicht (R) und die metallische, reflektierende Funktionsschicht (F) in Bezug auf das Substrat (S) derart angeordnet sind, dass die metallische Reflexionsschicht (R) der vordefinierten Lichteinfallsseite des Reflexionsschichtsystems (RSS) zugewandt ist, mittels geeigneter chemischer und/oder physikalischer Beschichtungsverfahren abgeschieden und das Substrat (S) gebogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des gesamten Reflexionsschichtsystems (RSS) auf einem ebenen Substrat (S) erfolgt und das beschichtete Substrat (S) anschließend thermisch gebogen wird, so dass sich das Reflexionsschichtsystem (RSS) auf der konvexen und/oder der konkaven Seite der Krümmung befindet und dass das beschichtete Substrat (S) beim Biegen gleichzeitig getempert und/oder gehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels.
Spiegel finden schon seit jeher in vielen Bereichen unseres Lebens Anwendung, allerdings kommt den Spiegeln heutzutage eine immer größere Bedeutung bei der Lösung der Energiefrage zu. Während sie für übliche Innen-Anwendungen „nur” die sichtbaren Anteile des Lichtspektrums zu reflektieren brauchen, müssen sie für die neuen solaren Anwendungen den gesamten Bereich des Sonnenspektrums bestmöglich reflektieren.
Bei Spiegeln unterscheidet man dabei grundsätzlich zwischen Vorderseiten- und Rückseitenspiegeln, je nachdem welche Seite des Substrates die hauptsächliche Reflexion hervorruft.
Üblicherweise werden Spiegel für den Wohngebrauch als auch für Außenanwendungen, wie z.B. den solaren Anwendungen (CSP – Concentrated Solar Power), aus Glas hergestellt. Im Falle von gebogenen Spiegeln, wie z. B. bei der CSP-Anwendung in Parabolrinnenkraftwerken, wird dabei grundsätzlich das gebogene Glas beschichtet. Das bedeutet, das flache Substrat wird zunächst thermisch gebogen und dabei eventuell noch gehärtet bzw. getempert und erst dann nasschemisch, physikalisch oder in Kombination beider Verfahren mit der Reflexionsschicht oder einem Reflexionsschichtsystem und eventuellen zusätzlichen Schutzschichten beschichtet.
Die Verwendung von gebogenen Substraten bei diesem üblichen Herstellungsverfahren ist dabei mit mehreren Nachteilen verbunden. Zu nennen wären dabei zum einen beschichtungsanlagenbedingte Nachteile. Je nach Beschichtungsverfahren (chemisch, physikalisch etc.) ist der Transport solcher gebogenen Substrate aufwendiger. Z. B. werden bei einigen Verfahren Carrier benötigt. Zudem muss aufgrund der höheren Stichtiefen solcher gebogener Substrate bei Vakuumbeschichtungsverfahren deutlich mehr Aufwand insbesondere für Gasseparation betrieben werden.
Weiterhin kommt es bei Beschichtung von gebogenen Substraten in der Regel zu ungewünschten Schichtdickenungleichmäßigkeiten. Die applizierten Dicken des für die Reflexion wichtigen, aber eben auch kostenintensiven Materials Silber betragen z. B. bei der nasschemischen Beschichtung zwischen 120 nm und 150 nm. Bei der nasschemischen Beschichtung der konvexen Seite eines Spiegels verläuft dabei die anfangs flüssige Silber- und/oder Kupferlösung schwerkraftbedingt zu den Rändern des Substrates und bewirkt dort somit höhere Schichtdicken (z. B. 150 nm für Ag) als in der Mitte des Substrates (z. B. 120 nm für Ag). Diese verfahrensbedingte Schichtdickeninhomogenität ist kostenmäßig äußerst nachteilig, da sichergestellt werden muss, dass an jeder Stelle des Spiegels eine minimale Schichtdicke nicht unterschritten wird. Somit sind also die tatsächlichen Schichtdicken an vielen Stellen größer als die für die gewünschte Reflexion nötige Schichtdicke.
Ein weiterer Nachteil des üblichen Herstellungsverfahrens ist, dass bei Wechsel der Spiegelform oder Geometrie auch Veränderungen an den Beschichtungsanlagen vorgenommen werden müssen. Es können immer nur Spiegel einer Geometrie in einer Beschichtungskampagne hergestellt werden. Eine Überproduktion einer entsprechenden Spiegelgeometrie ist aufgrund der unbekannten Nachfrage eher unpraktikabel.
Auch eine, insbesondere für Parabolrinnenspiegel angewendete, alternative Herstellung kann die beschriebenen Nachteile nicht überwinden. So sind aus der US 2009/0101208 A1 , der WO 2011/090784 A1 oder der DE 10 2009 045 582 A1 Verbundsysteme von zwei, im Material auch voneinander abweichenden, Substraten bekannt, in welchen das Reflexionsschichtsystem zwischen beiden Substraten eingeschlossen ist. Ein solcher Verbund gestattet auch ein kaltes oder heißes Biegen nach der Beschichtung, jedoch wird die Transmission durch das abdeckende Substrat deutlich vermindert und das Herstellungsverfahren nicht unerheblich aufwendiger.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels anzugeben, mit dem die benannten Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden können.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren zur Herstellung gebogener Frontseitenspiegel gemäß Anspruch 1 angegeben, welches die Beschichtung auf einem ebenen Substrat vornimmt und anschließend erst das beschichtete Substrat thermisch biegt, wobei das beschichtete Substrat beim Biegen gleichzeitig ohne Ablösen oder Rissbildung der Beschichtung getempert und/oder gehärtet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Aufgrund der ebenen Eigenschaft des Substrats stehen für die Beschichtung eine Reihe verschiedener Verfahren zur Verfügung, insbesondere auch Kathodenzerstäubung, das haftfeste, gut reflektierende und dabei sehr dünne Schichten ermöglicht. Aber ebenso sind auch nasschemische Verfahren möglich, mit denen gleichmäßige Schichten auf dem ebenen Substrat herstellbar sind. In jedem Fall sind mit den bekannten Verfahren Schichtdicken mit Abweichungen von bis zu 1,5 möglich, was die Abscheidung mit der minimalen Schichtdicke auf dem gesamten Substrat gestattet und aufgrund der daraus resultierenden Materialersparnis des Schichtmaterials zu einer deutlichen Kostenersparnis im Vergleich zu den Verfahren nach dem Stand der Technik führt.
Die bis zum abschließenden Biegen mögliche Handhabung ebener Substrate vereinfacht auch die Anlagentechnik, insbesondere hinsichtlich des Transports oder notwendiger Schleusen.
Zudem können beschichtete, großflächige Substrate auf Lager produziert werden, die erst auf Kundennachfragen konfektioniert werden zum einen hinsichtlich der Größe und zum anderen auch hinsichtlich der Form. Dies vermeidet auch oder vermindert zumindest den Aufwand für Anpassungen der Beschichtungsanlagen an veränderliche Substratgrößen.
Entsprechend dieser verfahrenstechnischen Vorteile ergeben sich auch deutlich verbesserte Möglichkeiten in den abscheidbaren Schichtsystemen. Wie oben dargelegt gestattet die Beschichtung mittels Kathodenzerstäubung dünne, hochreflektierende und haftfeste Schichten, woraus sich die Möglichkeit komplexer Schichtsysteme bei geringem Materialaufwand ergibt, mit auf die Anwendung und/oder die Anforderungen für das nachträgliche Biegen gezielt eingestellten Eigenschaften des Reflexionsschichtsystems. So sind gebogene Formen möglich, mit denen das Reflexionsschichtsystem sowohl auf der konkaven, d. h. der nach innen gewölbten, Seite des Substrats, wo die Schichten beim Biegen gestaucht werden, als auch auf der konvexen und die Schichten beim Biegen dehnenden Seite angeordnet ist. Auch Kombinationen beider Formen sind möglich, soweit das Substrat eine solche Biegung unterstützt. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel eines Reflexionsschichtsystem eines gebogenen Frontseitenspiegels und
Das Reflexionsschichtsystem RSS gemäß der 1 ist das eines Frontseitenspiegels mit folgendem Schichtaufbau mit den genannten Schichtdicken vom Substrat aufwärts in Richtung des Lichteinfalls (durch Pfeile gekennzeichnet) betrachtet:
S Substrat
HD aluminiumdotiertes Zinkoxid (ZAO) oder Titanoxid (TiO2); 3 nm
F Nickelchrom (NiCr); 45 nm
R Silber (Ag); 75 nm
HB ZAO oder TiO2; 1 nm
WS Siliziumoxid (SiO2); 58 nm und TiO2; 27 nm
D SiO2 oder Siliziumoxinitrid (SiOxNy); 1200 nm
Zur Herstellung des Spiegels nach 1 werden auf dem entsprechend sorgfältig polierten, gewaschenen und getrockneten, ebenen Substrat S, z. B. Floatglas, nacheinander die Schichten per Magnetronsputtern abgeschieden.
Vor der Sputterbeschichtung kann das Substrat S optional im Vakuum einer Plasmavorbehandlung unterzogen werden. Dazu wird z. B. in einer verdünnten Gas-Atmosphäre, welche Argon, Sauerstoff, CDA (Compressed Dry Air) oder Stickstoff oder deren beliebige Mischungen enthalten kann, bei einem Druck von 2–5 10^–2 mbar eine DC- oder MF-Glimmentladung gezündet, welcher die später zu beschichtende Seite des Substrats ausgesetzt wird. Die Glimmdauer beträgt 0,5 bis 5 Minuten.
Alternativ kann das Substrat S vor der Beschichtung auch aufgeheizt werden. Je nach Vorbehandlungsschritt, die auch kombiniert werden können, können dann optional eine oder mehrere Haftschichten HS abgeschieden werden.
Im Ausführungsbeispiel wird die einzige Haftvermittlungs- und Diffusionsbarriereschicht HD vom metallischen Target im vollreaktiven MF-Mode mit Sauerstoffeinlass abgeschieden. Alternativ kann sie aber auch vom keramischen Target mit oder ohne zusätzlichen Sauerstoffeinlass im DC- oder MF-Mode abgeschieden werden. Bei reaktiver Beschichtung vom metallischen Target im MF-Mode wird der Sputterprozess im oxidischen Modus betrieben. Dabei wird ein besonders intensives Plasma verbunden mit geringen Sputterraten realisiert. Dies führt zu einer verbesserten Entfernung des immer an der Substratoberfläche gebundenen Wassers und der optimalen Ausbildung einer Haftvermittlungs- und Diffusionsbarriereschicht HD, die mit kleiner 5 nm nur sehr dünn abgeschieden werden muss. Darüber hinaus werden kohlenstoffhaltige Verunreinigungen, die sich meist sehr negativ auf die Haftfestigkeit auswirken, zu gasförmigem Kohlendioxid oxidiert, welches über die Vakuumpumpen abtransportiert werden kann.
Die beiden metallischen, reflektierenden Schichten F, R werden im DC-Mode vom metallischen Target abgeschieden. Sie bestehen im Ausführungsbeispiel aus Nickelchrom bzw. Silber. Alternativ können sie auch aus Kupfer, Nickel, Chrom, Edelstahl, Silizium, Zinn, Zink für die Funktionsschicht F und Aluminium, Gold oder Platin für die Reflexionsschicht R bestehen oder jeweils einer Legierung, die wenigstens eines der benannten Materialien enthält.
Beide Schichten F, R müssen für sich separat betrachtet nicht optisch dicht sein. Es wurde herausgefunden, dass zum Erreichen der maximalen solaren Reflexion des Reflexionsschichtsystems, insbesondere wenn es entsprechend einer Verfahrensausgestaltung gesputtert wurde, bei weitem nicht die Reflexionsschichtdicke benötigt, die beim nasschemischen Verfahren eingesetzt wird.
Eine optisch dichte Schicht, auch opake Schicht genannt, ist eine Schicht, die so dick ist, dass sie keine Transmission mehr aufweist, d. h. dass die totale solare Transmission (TST) kleiner 0,1% ist und somit ihre maximale Reflexion erreicht. Im Falle von Silber ist eine Schicht ab einer Schichtdicke von etwa 100 nm–120 nm opak. Stellt man hingegen eine Reflexionsschicht her, die deutlich dünner ist, als zum Erreichen der maximalen Reflexion nötig, und die somit noch einen geringen Transmissionsanteil aufweist, kann durch eine weitere, bezüglich der Lichteinfallsrichtung hinter der hoch reflektierenden Reflexionsschicht angeordnete, reflektierende Schicht eines anderen geeigneten Materials nahezu die gleiche Gesamtreflexion erreicht werden, die mit einer einzelnen, opaken Reflexionsschicht erreicht würde.
Dieses weitere Material kann dabei eine wesentlich geringere Einzelreflexion besitzen als die Reflexionsschicht, was auch den Einsatz von preiswerten Nicht-Edelmetallen erlaubt. Die zweite und hinter der Reflexionsschicht angeordnete Schicht kann deshalb neben der Reflexion auch einer ergänzenden Funktion dienen, insbesondere dem Schutz der Reflexionsschicht. Aus diesem Grund wird sie zur besseren Unterscheidung nachfolgend als reflektierende Funktionsschicht bezeichnet.
Die dünne Haftvermittlungs- und Blockerschicht HB zwischen der Reflexionsschicht R und der ersten Schicht des transparenten, dielektrischen und reflexionserhöhenden Wechselschichtsystems WS wird dabei vom keramischen Target ohne oder mit einem geringen zusätzlichen Sauerstoffeinlass im DC- oder MF-Mode abgeschieden. Dabei wird im Vergleich zur reaktiven Abscheidung vom metallischen Target wesentlich weniger Sauerstoff benötigt. Die oberflächliche Oxidation des Silbers beim Aufsputtern dieser Haftvermittlungs- und Blockerschicht HB wird dadurch deutlich vermindert. Auch die Haftvermittlungs- und Blockerschicht HB wird nur in einer sehr geringen Dicke benötigt, und zwar kleiner 1 nm. Die so erzeugte Schicht dient zum einen als Haftschicht zwischen dem metallischen Silber und dem dielektrischen Wechselschichtsystem WS. Zum anderen stellt sie eine Schutzschicht für das Silber gegenüber Oxidation durch den nachfolgenden Abscheideprozess dar, insbesondere bei der Abscheidung von Siliziumdioxid, das als erste Schicht des Wechselschichtsystems WS bevorzugt ist und allgemein bei hohem Sauerstoff-Partialdruck abgeschieden wird.
Als nächstes wird ein Wechselschichtsystem aus mindestens einer niedrig- und einer hochbrechenden dielektrischen Schicht im reaktiven MF-Mode abgeschieden, z. B. niedrigbrechendes SiO₂ und hochbrechendes TiO₂. Daran schließt sich dann als Schutzschicht eine ausreichend dicke dielektrische Schicht D an. Diese Schutzschicht muss hochtransparent sein und kann wie auch die beiden Schichten des Wechselschichtsystems durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) z. B. per reaktiven MF-Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfen, per CVD oder PECVD oder auch nasschemisch (WCD) hergestellt werden.
Das mit diesem Reflexionsschichtsystem RSS beschichtete Substrat S wird in einem nachfolgenden Prozessschritt zugeschnitten, an seinen Kanten beschliffen und anschließend thermisch gebogen. Dabei wird das Substrat S thermisch gebogen, d. h. auf eine Temperatur oberhalb seines Erweichungspunktes, bei Glas im Bereich von etwa 600 bis 650°C, erwärmt und in die gewünschte Form gebracht. Bekannt sind hier z. B. Gravitationsbiegeöfen, die in diesem Temperaturbereich arbeiten. Dabei wird das beschichtete Substrat S in Abhängigkeit von Endtemperatur und Abkühlverfahren gleichzeitig getempert z. B. zum Aushärten des Glases oder zum Ausheilen von Schichtstrukturen des Reflexionsschichtsystems RSS. Der Biegevorgang kann je nach Beschichtung unter Schutzgas oder an Luft erfolgen.
Bezugszeichenliste

S

Substrat

HD

Haftvermittlungs- und Diffusionsbarriereschicht

F

metallische, reflektierende Funktionsschicht

R

metallische Reflexionsschicht

HB

Haftvermittlungs- und Blockerschicht

WS

Wechselschichtsystem

D

transparente, dielektrische Schicht

L

Lackbeschichtung

RSS

Reflexionsschichtsystem

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels, indem auf einem Substrat (S) ein Reflexionsschichtsystem (RSS), welches eine metallische Reflexionsschicht (R) und eine benachbart zur metallischen Reflexionsschicht (R) angeordnete metallische, reflektierende Funktionsschicht (F) aufweist, wobei die metallische Reflexionsschicht (R) und die metallische, reflektierende Funktionsschicht (F) in Bezug auf das Substrat (S) derart angeordnet sind, dass die metallische Reflexionsschicht (R) der vordefinierten Lichteinfallsseite des Reflexionsschichtsystems (RSS) zugewandt ist, mittels geeigneter chemischer und/oder physikalischer Beschichtungsverfahren abgeschieden und das Substrat (S) gebogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des gesamten Reflexionsschichtsystems (RSS) auf einem ebenen Substrat (S) erfolgt und das beschichtete Substrat (S) anschließend thermisch gebogen wird, so dass sich das Reflexionsschichtsystem (RSS) auf der konvexen und/oder der konkaven Seite der Krümmung befindet und dass das beschichtete Substrat (S) beim Biegen gleichzeitig getempert und/oder gehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflexionsschichtsystem (RSS) abgeschieden wird, welches eine oder mehrere reflektierende Schichten (F, R) und eine oder mehrere Haftvermittlerschichten (HB, HD) und/oder eine oder mehrere Schutzschichten (D) und/oder ein Wechselschichtsystem (WS) zur Erhöhung der Reflexion des Reflexionsschichtsystems (RSS) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei metallische, reflektierende Schichten (R, F) zusammen mit einer solchen Dicke abgeschieden werden, dass sie gemeinsam optisch dicht sind, eine oder beide der reflektierenden Schichten (R, F) für sich jedoch nicht.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Schichten des Reflexionsschichtsystems (RSS) mittels Kathodenzerstäubung abgeschieden werden.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Schichten des Reflexionsschichtsystems (RSS) mittels nasschemischen Verfahrens abgeschieden werden.
Verfahren zur Herstellung eines gebogenen Frontseitenspiegels nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) vor der Abscheidung des Reflexionsschichtsystems (RSS) vorbehandelt wird.