Sistema de capas de reflexión para aplicaciones solares y método para producirlo.

La invención se refiere a un sistema de capas de reflexión RSS y a un procedimiento para su producción para espejos de cara frontal para aplicaciones solares,

con una capa que es sumamente reflectante en el espectro solar sobre un sustrato S. Con el fin de conseguir un sistema de capas de reflexión RSS de este tipo sobre sustratos curvados y sobre sustratos planos manteniendo bajo el empleo de material y obteniendo valores TSR elevados, se depositan sobre el sustrato S una capa funcional reflectante metálica F, una capa de reflexión metálica R, y una capa protectora dieléctrica transparente como capa de cobertura D que contiene un óxido, nitruro u oxinitruro de un metal o semiconductor, y cuyo grosor es 500 nm o más, preferiblemente más de 1 μm.

Sistema de capas de reflexión para aplicaciones solares y método para producirlo

La invención se refiere a un sistema de capas de reflexión para espejos de cara frontal para aplicaciones solares que tiene una capa que es sumamente reflectante en el espectro solar y que está depositada sobre un sustrato. De modo análogo, la invención se refiere a un procedimiento para producir un sistema de capas de reflexión.

Los sistemas de capas de reflexión ya han estado en uso desde hace tiempo en muchas parcelas de nuestra vida; sin embargo, hoy en día se están haciendo cada vez más importantes, por ejemplo para espejos que resuelvan el problema energético. Mientras que los espejos para aplicaciones corrientes de interior "sólo necesitan reflejar los componentes visibles del espectro luminoso, para aplicaciones solares deben reflejar el rango completo del espectro solar de la mejor manera posible.

En el caso de los espejos se distingue así, en principio, entre espejos de cara frontal y de cara posterior, dependiendo de cuál de las caras del sustrato proporciona la reflexión principal.

Los sistemas de capas de reflexión se fabrican frecuentemente para aplicaciones de interior y de exterior, por ejemplo aplicaciones solares (CSP - energía solar concentrada), depositando un revestimiento reflectante sobre un sustrato, por ejemplo vidrio o plástico, mediante procedimientos químicos en húmedo. Conforme a la anterior definición, esto implica espejos en los cuales el revestimiento reflectante está situado, o bien en la cara posterior del sustrato (espejo de cara posterior), o bien en la cara frontal del mismo (espejo de cara frontal), en cada caso con respecto a la incidencia de la luz. Dependiendo de la aplicación específica y de los requisitos asociados en lo referente a durabilidad mecánica, química y medioambientalmente relevante, el revestimiento de reflexión de los espejos debe estar permanentemente protegido de la atmósfera.

En el caso de espejos curvos, por ejemplo para aplicaciones CSP en plantas de colectores parabólicos, el vidrio curvo es básicamente revestido en tal caso. Esto significa que primeramente se curva por calor el sustrato plano, y durante el proceso posiblemente también se le templa o se le somete a tratamiento térmico, y sólo después es revestido con la capa de reflexión o un sistema de capas de reflexión y posibles capas protectoras adicionales, mediante procedimientos químicos en húmedo, físicos o una combinación de ambos.

Lo que es crucial para la calidad de un reflector solar es, entre otras cosas, el valor de su reflectividad solar total (TSR), es decir, su capacidad para reflejar la radiación solar. Este valor viene determinado, además de por las pérdidas por absorción debidas al sustrato incluso en el caso de espejos con la cara externa posterior, principalmente por la reflectancia de su revestimiento. Para obtener la mayor reflexión posible, preferiblemente se emplea plata aquí como capa reflectante. En el caso de espejos de cara posterior, generalmente se utiliza un sustrato que tenga una absorción particularmente baja y elevada transparencia, por ejemplo el denominado vidrio blanco o vidrio solar. Por la cara posterior, en este caso la capa de plata es cubierta después por una capa de cobre, que al mismo tiempo sirve también como una capa de interfaz para los siguientes revestimientos de barniz protector.

Puesto que un espejo semejante, en su aplicación, debe resistir también grandes cargas mecánicas, tales como vientos fuertes, y debe permanecer dimensionalmente estable en su geometría incluso bajo elevadas cargas, el grosor del sustrato no puede ser menor de un grosor mínimo. Hoy en día, el grosor de los espejos solares es generalmente 4 mm. Aunque se emplee vidrio de alta pureza o vidrio solar, la absorción óptica del material de sustrato no puede reducirse de manera arbitraria durante la fabricación del mismo, y por tanto constituye uno de los factores limitantes en lo que se refiere a la TSR de un espejo solar de cara posterior.

El proceso de fabricación de tales espejos se describe habitualmente de la manera siguiente. Después de que se haya realizado previamente un tratamiento necesario, que puede comprender cortar a la forma requerida, esmerilar los bordes del sustrato, curvar y/o tratar térmicamente los sustratos planos o ya curvados, y otros pasos, se pulen y se lavan eventualmente de nuevo los sustratos. Opcionalmente, mientras están aún húmedos se les aplica después una disolución que tiene una acción promotora de la adherencia, por ejemplo dicloruro de estaño, con el objeto de activarlos. La hoja pasa después sucesivamente a través de estaciones de revestimiento en donde es revestida con plata por procedimientos químicos en húmedo y directamente después con cobre. Esto es seguido después, directamente, por el revestimiento de barniz o de los diversos barnices del sistema de barnizado multietapa. A continuación, se seca después a 15°C-2°C todo el revestimiento.

En los sistemas conocidos, los grosores aplicados de plata, el material que es importante para la reflexión pero que tiene también un coste elevado, se sitúan entre aproximadamente 12 nm y 15 nm, lo que da como resultado unos costes de material relativamente altos.

Además, en el caso de sustratos curvos, por ejemplo, ha demostrado ser perjudicial el que durante el revestimiento por procedimientos químicos en húmedo de la cara convexa del sustrato, la disolución de plata y/o cobre inicialmente líquida, debido a la fuerza de la gravedad, se escurre hacia los bordes del sustrato y produce allí mayores grosores de capa, que a menudo se sitúan en el intervalo de, por ejemplo, 15 nm en el caso de la plata. Este efecto incrementa significativamente el gasto de material y conduce a faltas de homogeneidad en el grosor de la capa que, con este orden de magnitud, no pueden ser tolerados para diversas aplicaciones.

Dependiendo de las propiedades de absorción del sustrato y de su grosor, por ejemplo en el caso de un grosor de vidrio solar de 4 mm, se pueden fabricar por el procedimiento descrito espejos con una TSR de 93%-94°/o. Este valor se encuentra por debajo de los valores obtenibles que se obtendrían, por ejemplo, de cálculos de simulación con datos ópticos correspondientemente tabulados para la plata.

Por tanto, existe la misión de proporcionar un sistema de capas de reflexión para aplicaciones solares sobre sustratos curvos y planos, y un procedimiento para producirlo con el que se puedan obtener mayores valores de TSR con un gasto reducido de material.

Para resolver el problema, se proponen un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 1 y un procedimiento para producirlo según la reivindicación 13. Las reivindicaciones dependientes asociadas representan configuraciones ventajosas de la invención.

El sistema de capas de reflexión de acuerdo con la invención permite la configuración como espejo de cara frontal, con lo cual se dispone de una variabilidad claramente mayor tanto en lo referente al material del sustrato como en lo referente al grosor y forma del mismo, sin mermas en la estabilidad mecánica y química. Esto incluye también el hecho de que primeramente se revistan sustratos planos y, después del revestimiento, sean curvados o sometidos a tratamiento térmico con otros fines. Además, aparte de vidrio, también se pueden utilizar como sustrato, por ejemplo, plástico o metal. Además de materiales y películas en forma de placa también son posibles materiales y películas en forma de tiras.

De acuerdo con la invención, el sistema de capas de reflexión comprende capas de reflexión metálicas que no tienen por qué ser ópticamente impermeables cuando se consideran por separado. Se ha descubierto que, para conseguir la máxima reflexión solar del sistema de capas de reflexión, particularmente si ha sido depositada electrónicamente de acuerdo con una configuración del procedimiento, el grosor de la capa de reflexión requerido es mucho

menor que el utilizado en el procedimiento químico en húmedo.

Una capa ópticamente impermeable, denominada también capa opaca, es una capa cuyo grosor es tal que ya no presenta transmisión, es decir, la transmisión solar total (TST) es menor que ,1% y, por tanto, consigue su máxima reflexión o absorción. En el caso de la plata, una capa es opaca a partir de un grosor de capa de aproximadamente 1 nm -12 nm. Por el contrario, si se produce una capa de reflexión que sea significativamente más delgada de lo necesario para conseguir la reflexión máxima y aun así presente una pequeña proporción de transmisión, mediante una capa reflectante adicional de algún otro material adecuado se puede lograr virtualmente la misma reflexión total...

1. Sistema de capas de reflexión para aplicaciones solares, que comprende los siguientes constituyentes tal como se ven hacia arriba desde el sustrato:

- un sustrato (S),

- una capa funcional reflectante metálica (F),

- una capa de reflexión metálica (R), y

- una capa protectora dieléctrica transparente como capa de cobertura (D), que contiene un óxido, nitruro u oxinitruro de un metal o semiconductor, cuyo grosor es 5 nm o más, preferiblemente más de 1 ^m.

2. Sistema de capas de reflexión según la reivindicación 1, en donde la capa de reflexión metálica (R) y la capa funcional reflectante metálica (F) juntas tienen un grosor tal que en conjunto son ópticamente impermeables, pero no una o ambas de las capas metálicas (R, F) por sí mismas.

3. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de reflexión metálica (R) está dispuesta adyacente a la capa funcional reflectante metálica (F).

4. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa funcional (F) consiste en cobre, níquel, cromo, acero de alta calidad, silicio, estaño, zinc, molibdeno o una aleación que contiene al menos uno de los materiales mencionados, y/o la capa de reflexión (R) consiste en plata, aluminio, oro, platino o una aleación que contiene al menos uno de los materiales mencionados.

5. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el sustrato (S) tiene al menos una superficie pretratada (O).

6. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde una capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) está dispuesta entre el sustrato (S) y la capa funcional (F).

7. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde una capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) está dispuesta encima de la capa de reflexión (R).

8. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 1, 2 ó 4 a 7, en donde una capa promotora de la adherencia (H) está dispuesta entre la capa funcional reflectante metálica (F) y la capa de reflexión metálica (R).

9. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 6, 7 u 8, en donde la capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) y/o la capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) y/o la capa promotora de la adherencia (H) contiene o contienen un metal o un óxido estequiométrico o subestequiométrico de Zn, Si, Sn, Ti, Zr, Al, Ni, Cr o de un compuesto de los mismos.

1. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de cobertura (D) consiste en una pluralidad de subcapas discretas y/o comprende una o una pluralidad de capas en gradiente que tienen proporciones variables de sus constituyentes materiales.

11. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde por debajo de la capa de cobertura (D) está dispuesto un sistema de capas alternas dieléctricas (WS) que comprende al menos una secuencia de capas que tiene una capa dieléctrica de bajo índice de refracción y una capa dieléctrica de alto índice de refracción.

12. Sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el sistema de capas está dispuesto sobre un sustrato (S) que tiene al menos en ciertas secciones un curvatura convexa y/o cóncava.

13. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones precedentes, en el que se depositan sucesivamente sobre un sustrato (S) al menos las siguientes capas:

- una capa funcional reflectante metálica (F),

- una capa de reflexión metálica (R), y

- una capa protectora dieléctrica transparente como capa de cobertura (D), compuesta de un óxido, nitruro u oxinitruro de un metal o semiconductor, cuyo grosor es 5 nm o más, preferiblemente más de 1 ^m.

14. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 13, en el que la capa de reflexión metálica (R) y la capa funcional reflectante metálica (F) se depositan juntas con un grosor tal que en conjunto son ópticamente impermeables, pero no una o ambas de las capas metálicas (R, F) por sí mismas.

15. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 13 ó 14, en el que al menos una superficie del sustrato (S) se trata previamente antes del revestimiento.

16. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las

reivindicaciones 13 a 15, en el que se deposita una capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) entre el sustrato (S) y la capa funcional (F).

17. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 13 a 16, en el que una capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) se deposita encima de la capa de reflexión (R).

18. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 13 a 17, en el que una capa promotora de la adherencia (H) se deposita entre la capa funcional reflectante metálica (F) y la capa de reflexión metálica (R).

19. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 16, 16 ó 17, en el que la capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) y/o la capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) y/o la capa promotora de la adherencia (H) se se deposita o depositan como una capa que contiene un metal o un óxido de Zn, Si, Sn, Ti, Zr, Al, Ni, Cr u otro compuesto de los mismos.

2. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 16 a 18, en el que la capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) y/o la capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) y/o la capa promotora de la adherencia (H) se se deposita o depositan mediante deposición electrónica por DC, deposición electrónica por DC o deposición electrónica por MF desde el blanco cerámico con nula o sólo escasa introducción adicional de oxígeno, cuya proporción es menor de 1% con respecto a la introducción del gas de proceso inerte.

21. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 18, en el que la capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) y/o la capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) y/o la capa promotora de la adherencia (H) se se deposita o depositan desde un blanco metálico con nula o sólo escasa introducción adicional de oxígeno, cuya proporción es menor que 1% con respecto a la introducción del gas de proceso inerte, y se oxida u oxidan en una etapa posterior del proceso.

22. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 21, en el que una oxidación de la capa promotora de la adherencia y de barrera de difusión (HD) y/o de la capa promotora de la adherencia y bloqueante (HB) y/o de la capa promotora de la adherencia (H) se realiza por curvado por calor o por tratamiento térmico del sustrato revestido (S).

23. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las

reivindicaciones 13 a 22, en el que se deposita la capa de cobertura (D) de una manera que consiste en una pluralidad de subcapas discretas (TD) y/o con una o una pluralidad de capas en gradiente, en donde las proporciones de sus constituyentes materiales varían dentro de la capa de cobertura (D).

24. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 13 a 23, en el que la capa de cobertura (D) se deposita mediante deposición electrónica reactiva por MF o evaporación por haz de electrones o por medio de procedimientos CVD o PECVD o bien por procedimientos químicos en húmedo.

25. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 13 a 24, en el que por debajo de la capa de cobertura (D) se deposita un sistema de capas alternas dieléctricas (WS) que comprende al menos una secuencia de capas que tiene una capa dieléctrica de bajo índice de refracción y una capa dieléctrica de alto índice de refracción.

26. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según la reivindicación 25, en el que el sistema de capas alternas (WS) se deposita mediante deposición electrónica reactiva por frecuencia media o mediante evaporación por haz de electrones.

27. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 13 a 26, en el que una o una pluralidad de capas del sistema de capas de reflexión se deposita o depositan mediante un procedimiento químico en húmedo.

28. Procedimiento para depositar un sistema de capas de reflexión según una de las reivindicaciones 13 a 27, en el que se somete al sustrato (S) a tratamiento térmico después del revestimiento con las capas reflectantes (F, R) o después del revestimiento de una de las capas siguientes.