Revêtements multicouches de type organique/métal/céramique pour des concentrateurs souples en polymères

Organic/metal/ceramic type multilayered coating supported on a flexible polymeric base

Recubrimientos multicapas de tipo orgánico/metal/cerámica para espejos solares de base polimérica flexible

• Auteur / Autrice : Monserrat Gutiérrez Muñoz
• Direction : Guy Stremsdoerfer, José de Jesús Pérez Bueno, Yunny Meas Vong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 30/03/2016
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Benayoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Stremsdoerfer, José de Jesús Pérez Bueno, Yunny Meas Vong, Samuel Stremsdoerfer, René Antaño López
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juan Jorge Martinez Vega, Eric Chainet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtements

Énergie solaire

Mots clés libres

Energie solaire

Dépôt chimique dynamique

Revêtements hybrides sol-gel

Concentrateur et miroir solaire

Solar energy

Dynamic Chemical Plating

Sol-gel hybrid coatings

Solar mirror

Energía solar

Depósito químico dinámico

Recubrimientos híbridos sol- gel

Concentrador y espejo solar

Résumé

La production actuelle d’énergie qui provient principalement des combustibles fossiles a un impact négatif sur l’environnement. Le développement des énergies renouvelables peut limiter cet impact. Si la conversion thermodynamique de l’énergie solaire obtenue en concentrant le rayonnement photonique permet d’atteindre des rendements élevés, l’enjeu est de réaliser, à faible coût, de grandes surfaces de réflecteurs souples et légers ayant une excellente propriété optique réfléchissante.Dans ce travail de recherche, nous avons étudié deux types de miroirs qui entrent dans la réalisation des concentrateurs solaires. Le premier miroir est constitué d’une plaque souple en polymère très transparent (indice de transmission le plus élevé possible) sur laquelle a été déposé un film réfléchissant. Cette couche est protégée contre la corrosion et les agressions environnementales par un revêtement organique opaque élaboré en face arrière. On obtient ainsi un système polymère/métal/ film organique. Le second miroir est constitué d’un substrat opaque souple sur lequel est déposé un film réfléchissant. Une couche mince protectrice organique ou céramique, ayant un indice optique de transmission le plus élevé possible, est élaborée en face avant sur la couche réfléchissante. On obtient ainsi un système céramique/métal/ organique.Cette couche réfléchissante étant indispensable dans les deux configurations de miroir, nous avons étudié l’élaboration d’une couche réfléchissante à base d’argent du fait que la technique de dépôt chimique dynamique, appelée encore technique JetMetalTM, permet d’obtenir des films d’argent à température ambiante et de façon rapide et peu coûteuse. D’autre part, cette technologie agrée « Green Tech » est bien adaptée pour l’élaboration de dépôt sur des grandes surfaces. Ce rapport décrit les étapes et les paramètres nécessaires pour obtenir des réflecteurs optiques à base d’argent de grandes qualités : qualité optique avec des réflectivités supérieures à 95%, qualité mécanique avec des interfaces polymère/métal pouvant encaisser des déformations, un rapport qualité/prix par l’optimisation des cinétiques de dépôt et d’épaisseur de film d’argent (environ 100nm) avec un temps très court d’élaboration. De nombreuses techniques d’analyses et de caractérisations (XPS, AFM, LRX, SEM…) ont été utilisées pour dégager les paramètres pertinents d’un miroir solaire à base d’argent.La propriété optique du film d’argent est stable à l’air et avec le temps. Néanmoins, une protection de l’argent est nécessaire en particulier en face avant. Cette protection doit adhérer au film d’argent, pouvoir être flexible et présenter un indice de transmission le plus élevé possible dans le domaine visible. Si différents vernis ont été étudiés, notre travail a surtout porté sur l’élaboration de revêtements protecteurs organiques (PMMA, PU), céramiques (SiO2, Al2O3) et surtout hybrides organique-céramique. Ce travail de recherche a permis d’identifier les domaines de pertinence de ces différents types de revêtements protecteurs sous contrainte radiative, leur compatibilité avec une couche réflective d’argent, pour conduire à des concentrateurs souples performants. Une solution originale est présentée en conclusion. Elle porte sur la réalisation d’un miroir souple élaboré sur une feuille de verre de 100 µm d’épaisseur revêtue d’un film de 100 nm d’argent. La réflectivité est supérieure à 95% dans le visible.

The present production of energy that mainly comes from the burning of fossil fuels has a negative impact on our environment. The research and development of clean and renewable sources of energy can decrease this damage. If the thermodynamic conversion from solar energy obtained by photons radiation concentration allows us a higher efficiency, the challenge is to build at low cost, large areas for solar reflectors that are flexible and lightweight, with a powerful optical reflection.During this research a study was made on two types of mirrors for achieving solar concentrators. The first mirror is formed of a flexible polymer plate highly transparent (Transmission index as high as possible) in which was deposited a reflective layer. This layer is protected against corrosion and any other environmental aggression by an opaque organic coating built on the rear face. This produces a polymer/metal/organic film system. The second mirrors consist of a flexible opaque substrate in which, a reflective film is deposited. A thin organic or ceramic protector film with a transmission index as high as possible is prepared in front of the reflective layer. Thereby, a ceramic/metal/organic system was obtained.Being that the reflective layer is essential in both configurations of the mirror, research was carried out about the development of a reflective layer composed of silver with the dynamic chemical plating technique also called “Jet MetalTM technique” which allows the elaboration of silver films at room temperature in a fast and economical manner. Also, this approved technology <<Green Tech>> is well adapted for the deposit development over large surfaces. This report describes the steps and necessary parameters to obtain optical reflectors based on high quality silver: optical quality with a higher reflectivity over 95%, mechanical quality with interfaces of polymer / metal that can absorb deformations, a relation quality/price through the optimization of the deposit kinetic and the silver film thickness (approximately 100 nm) with a very short elaboration time. Many analysis and characterization techniques (XPS, AFM, LRX, SEM…) have been performed to determine the parameters of a solar mirror made of silver.The optical property of the silver film is stable in air ambient and with time. However; the silver protection is necessary mainly on the front face. This protection must adhere to the silver film, be flexible and provide a high visual range. Different varnishes have been researched, and our work has been concentrated in the development of organic (PMMA, PU), ceramics (SiO2, Al2O3), and especially hybrid organic-ceramic covering protection. This research allowed us to identify the relevant areas of these different types of protection coatings under radiation stress, its compatibility with the silver layer to obtain efficient and flexible concentrators. An original solution is presented at the conclusion that corresponds in the elaboration of a flexible mirror, made up of a glass layer of 100 µm thick and covered in a silver film of 100 nm. The reflection is over 95% visible.

La producción actual de energía que proviene principalmente de combustibles fósiles tiene un impacto negativo sobre el medio ambiente. El desarrollo de las energías renovables puede reducir este impacto. Si la conversión termodinámica de la energía solar obtenida por concentración de radiación de fotones permite alcanzar altos rendimientos, el reto es lograr realizar, a bajos costos, grandes áreas de reflectores flexibles y ligeros, con una excelente propiedad óptica reflejante.En esta investigación, se estudiaron dos tipos de espejos que intervienen en la consecución de los concentradores solares. El primer espejo está hecho de una placa flexible de polímero altamente transparente (índice de transmisión lo más alta posible) en el que se depositó una película reflejante. Esta capa está protegida contra la corrosión y el ataque del medio ambiente por un revestimiento orgánico opaco desarrollado en la parte trasera. Esto produce un sistema polímero/metal / película orgánica. El segundo espejo consiste en un sustrato opaco flexible en la que se deposita una película reflejante. Una película delgada y protectora orgánica o cerámica con un índice de transmisión lo más alto posible se prepara en frente de la capa reflejante. Por lo tanto, se obtiene un sistema cerámico / metal / orgánico.Siendo esta capa reflejante esencial en ambas configuraciones de espejo, se investigó el desarrollo de una capa reflejante a base de plata con la técnica de depósito químico dinámico, también llamada “JetMetalTM technique” que permite elaborar películas de plata a temperatura ambiente de manera rápida y económica. Además, esta tecnología, aprobada « Green Tech », está bien adaptada para el desarrollo de depósitos sobre superficies grandes. Este trabajo describe los pasos y los parámetros necesarios para obtener reflectores ópticos basados en plata de grandes cualidades: calidad óptica con reflectividad mayor a 95%, calidad mecánica con interfaces de polímero / metal que pueden absorber deformaciones, una relación calidad / precio mediante la optimización de la cinética de depósito y espesor de la película de plata (aproximadamente 100 nm) con un tiempo corto de elaboración. Numerosas técnicas de análisis y caracterización (XPS, AFM, LRX, SEM ...) han sido utilizadas para determinar los parámetros pertinentes de un espejo solar a base de plata. La propiedad óptica de la película de plata es estable en el aire y en el tiempo. Sin embargo, la protección de la plata es necesaria, en particular en el frente. Esta protección debe adherirse a la película de plata, ser flexible y proporcionar un índice de transmisión lo más alto posible en el rango visible. Se han estudiado diferentes barnices y nuestro trabajo ha sido centrado en el desarrollo de recubrimientos de protección orgánicos (PMMA, PU), cerámicos (SiO2, Al2O3) y especialmente en híbridos orgánico-cerámica. Esta investigación ha permitido identificar las áreas de relevancia de estos diferentes tipos de recubrimientos de protección bajo estrés por radiación y su compatibilidad con una capa reflejante de plata para obtener concentradores flexibles eficientes. Una solución original se presenta en la conclusión y corresponde en la realización de un espejo flexible elaborado en una hoja de vidrio de 100 µm de espesor y recubierto con una película de plata de 100 nm. La reflectividad es superior a 95% en el visible.