Moderne Wärmeschutzverglasungen erreichen ihren niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten, den U-Wert, im Wesentlichen durch Low-e-Beschichtungen, also Schichten mit einem Emissionsgrad von unter 0.05 im infraroten Spektralbereich. Verantwortlich für die Low-e-Eigenschaften sind bei diesen Beschichtungen häufig eine oder zwei dünne Silberschichten. Im Schichtsystem kommen dazu etliche Schichten zur Entspiegelung, als Diffusionsblocker und zur Haftvermittlung. Sichtbare Strahlung wird durch diese Beschichtungen nur wenig beeinflusst. Wegen des niedrigen Emissionsgrades im IR-Bereich wird jedoch Strahlung im nahen Infrarot reflektiert und damit die solare Transmission vermindert. In vielen Einsatzgebieten, so auch bei der Wärmeschutzverglasung oder bei thermischen Solarkollektoren, kommt es allerdings auf den solaren und nicht auf den visuellen Transmissionsgrad an. Eine ideale „solare Beschichtung“ sollte die solare Einstrahlung weitgehend durchlassen, im Bereich der Wärmestrahlung bei Raumtemperatur dagegen reflektierend wirken. Im Unterschied zu einer solchen Beschichtung verringert eine konventionelle Low-e-Beschichtung den solaren Transmissionsgrad einer Glasscheibe um etwa 20 bis 25 Prozentpunkte. Um diese Verminderung des solaren Transmissionsgrades bei gleichen Isolationseigenschaften zu vermeiden, ist eine stärkere Wellenlängenselektivität der Beschichtung vonnöten. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Wellenlängenselektivität ist Mikrostrukturierung. An Stelle einer durchgehenden Metallschicht wird im Low-e-Schichtsystem ein Metallgitter verwendet. Ist die Wellenlänge der einfallenden Strahlung groß gegenüber dem Abstand der Gitterstreben (im Falle der Wärmestrahlung bei 300 K), verhält sich die Beschichtung wie das flächige Material und damit wie eine konventionelle Low-e-Schicht. Für Licht aus dem Spektrum der Sonnenstrahlung hingegen ist die Wellenlänge kleiner als der Abstand der Gitterstreben, so dass die Transmission hier nur sehr geringfügig vermindert wird. Zur genauen Charakterisierung dieses selektiven Verhaltens wurden Computersimulationen durchgeführt, zum einen nach dem Mie-Formalismus und zum anderen mit der Methode der finiten Differenzen im Zeitregime (FDTD), einer numerischen Lösung der Maxwellgleichungen. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Probenherstellung und der daraus resultierenden fehlenden Möglichkeit, die benötigten Sub-µm-Strukturen geeignet in ihrer Größe zu variieren, wurden zur experimentellen Bestätigung sowohl die Wellenlänge der einfallenden Strahlung als auch die Struktur um einen Faktor von etwa 100000 erhöht und entsprechende Simulationen anhand von Streuexperimenten mit Mikrowellen an einem makroskopischen Metallgitter verifiziert. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse wurden Vorraussagen über das spektrale Transmissionsverhalten eines ideal leitenden Metallgitters auf einem Glassubstrat in Abhängigkeit von Breite, Abstand und Dicke der Gitterstreben getroffen. Anhand von Parametervariationen wurden dann geeignete Werte dieser Größen für den Einsatz des Gitters als strukturierte Low-e-Beschichtung bestimmt. Durch Übertragung des spektralen Verhaltens eines solchen ideal leitenden Metallgitters auf eine reale Low-e-Schicht wurden die Auswirkungen einer Strukturierung dieser Schicht berechnet. Als Referenz diente dabei das Schichtsystem iplus E der Firma Interpane auf Floatglas. Die Rechnung zeigt, dass eine Strukturierung dieses Schichtsystems in ein Gitter mit 260 nm breiten Stäben im Abstand von 1080 nm die solare Transmission um 15 Prozentpunkte auf 0.72 steigen lässt. Die Dicke der Silberschicht im Schichtsystem muss dabei allerdings von 15 nm auf 60 nm angehoben werden. Der Emissionsgrad im IR-Bereich erhöht sich durch die Strukturierung von 0.03 auf 0.048. Kommt dieses strukturierte Low-e-Schichtsystem bei einer zweischeibigen Wärmeschutzverglasung zum Einsatz, so ließe sich der Gesamtenergiedurchlassgrad auf 0.70 im Vergleich zu 0.58 bei einer Verglasung mit dem konventionellen Low-e-Schichtsystem steigern. 80 Prozent des durch die flächige Low-e-Beschichtung bedingten Rückgangs im Gesamtenergiedurchlassgrad, dem g-Wert, lässt sich somit durch die Strukturierung wieder zurückgewinnen. Erkauft wird dies durch eine geringfügige Erhöhung des U-Werts der Verglasung von 1.06 W/(m² K) auf 1.12 W/(m² K). / Modern solar glazing units make use of low-e coatings, i.e. coatings with emissivities of less than 0.05 in the IR spectral range. Low-e coatings mainly consist of one or two thin metal layers, usually silver, that determine the low-e behavior, and several additional layers for anti-oxidant, anti-reflex and adhesion-improving purposes. As the main application of these coatings is in architectural glass, the coatings are designed in such a way that visible transmittance is hardly affected. Unfortunately, due to the decrease in transmission above 700 nm, the low-e coatings reduce the solar transmittance of the glazing, which can be a hindrance for passive solar applications. For solar architecture, transparent insulation (TI) and solar collectors, it is the solar and not the visible transmittance that is the important factor. An ideal “solar low-e coating” for these applications would be extremely wavelength selective: i.e. a coating that reflects 300 K heat radiation, but is perfectly transparent in the range of solar radiation. Calculations show that the solar transmittance can be increased by about 20 to 25 percent compared to a conventional coating using this ideal solar low-e coating. A way of increasing the wavelength selectivity of a low-e coating is to microstructure the metal layer contained in the film system. Instead of a complete layer, a metal mesh is created on the glass substrate. If the distances between the metal bridges of this mesh are small compared to the IR wavelengths, the coating behaves as a homogeneous metal layer or a conventional low-e IR coating. However, for solar radiation, for which the wavelengths are small compared to the distances between the metal bridges, transmission is only slightly reduced. Numerical simulations using Mie scattering theory and the method of finite differences in the time domain (FDTD) were carried out to characterize this selective behavior. As there was no possibility for size-variation of sub-micron structured layers, structures as well as wavelengths were up-scaled by a factor of 100000. This transfers the problem into the microwave spectral range, in which scattering experiments were performed using a macroscopic metal grating. Predictions concerning the spectral transmission of a grating made from perfectly conducting metal on a glass substrate can be made using the numerical simulation results, depending on width, distance and height of the bars of the grating. Subsequent to testing various parameters, suitable values were determined for the metal mesh as a structured low-e coating. The effect of the micro-structuring on a real layer system was calculated by applying the spectral behavior of the perfectly conducting metal grating on an existing low-e coating. The film system Interpane iplus E on float glass was used as a reference coating. By structuring this system into bars with a width of 260 nm and distances of 1080 nm, the solar transmission can be increased by 15 percentage points to 0.72. The thickness of the silver layer in the film system has to be enlarged from 15 nm to 60 nm, however. IR emissivity is increased from 0.03 to 0.048 because of the structuring. If this solar low-e coating is employed in double glazings, the total solar energy transmittance, the g-value, can be increased to 0.70, compared to 0.58 for glazings using the conventional low-e coating. 80 percent of the decrease in g-value caused by the conventional low-e IR coating can be regained by microstructuring the coating; the slight disadvantage here is a marginal rise in the heat loss coefficient, the U-value, from 1.06 W/(m² K) to 1.12 W/(m² K).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1921 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Meier, Martin |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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