Brevet FR2942623A1 — publié le 20100903

FEUILLE DE VERRE L'invention se rapporte au domaine des feuilles de verre, planes ou bombées. Plus précisément, l'invention concerne des compositions de verre et un procédé d'obtention de feuilles de verre. Les feuilles de verre sont utiles dans de nombreuses applications : vitrages pour le bâtiment ou l'automobile, production d'énergie, notamment systèmes photovoltaïques ou miroirs pour la concentration d'énergie solaire, écrans de visualisation... Pour la plupart de ces applications, l'homogénéité chimique du verre est une caractéristique primordiale. La présence d'hétérogénéités est en effet susceptible de créer des défauts optiques. Ces hétérogénéités peuvent être des inclusions gazeuses (bulles, � puces �) ou solides (� pierres �, infondus), ou des zones de composition chimique différente (certaines sont qualifiées de � cordes � dans le métier). Quelle que soit l'application, la présence de défauts optiques est à éviter, et les procédés d'élaboration du verre s'efforcent de limiter ce risque. Les feuilles de verre sont généralement produites de la manière suivante : des matières premières pulvérulentes, naturelles (sable, calcaire, dolomie, feldspaths...) ou issues de l'industrie chimique (carbonate de sodium), sont introduites dans un four chauffé à l'aide d'au moins un brûleur généralement aérien ou à l'aide de résistances plongées dans le bain de verre. Sous l'effet de la chaleur, des réactions de fusion et des réactions chimiques entre les différents composants des matières premières vont former un bain de verre fondu. L'homogénéisation du bain de verre se fait alors selon plusieurs mécanismes. Généralement un affinant est introduit avec les matières premières. Il s'agit d'un composé chimique, ou d'un mélange de composés, par exemple du sulfate de sodium ou de calcium (gypse), qui vont générer un dégagement gazeux au sein du bain de verre. Ce dégagement gazeux aide à homogénéiser localement le verre en facilitant la digestion des grains de silice résiduels et l'évacuation des gaz piégés dans le bain de verre. De puissants mouvements de thermoconvection dus à la différence de température entre la surface du verre et la sole du four aident également à homogénéiser le verre. Parfois des moyens mécaniques sont mis en place, tels que des agitateurs ou des bouillonneurs générant des bulles de gaz au sein du bain de verre. Les verres à forte transmission lumineuse et énergétique, appelés souvent verres � extra-clairs � ou � ultra-clairs � sont particulièrement difficiles à homogénéiser. Ces verres contiennent de faibles quantités d'oxyde de fer, et notamment de faibles quantités de fer ferreux (Fe2+). De ce fait, l'absorption du rayonnement des flammes par le verre est particulièrement faible, dont il résulte une faible différence de température entre la surface du verre et la sole du four et donc des mouvements de convection d'intensité réduite. En outre, le verre est souvent affiné à l'aide de sulfate (de sodium ou de calcium) et de réducteur tel que le coke. Par son effet sur le sulfate à relativement basse température, le réducteur assiste grandement l'affinage et l'homogénéisation du bain de verre dès les premières étapes de la fusion. Or la présence de réducteurs est préjudiciable pour la production de verres extra-clairs, car elle conduit à une forte proportion de fer ferreux, lequel absorbe le rayonnement lumineux pour des longueurs d'ondes situées dans le visible et le proche infrarouge et diminue donc la transmission du produit final. Les inventeurs ont maintenant trouvé une solution au 5 problème de l'homogénéisation des verres à forte transmission lumineuse et énergétique. L'invention a pour objet une feuille de verre dont la transmission lumineuse est supérieure ou égale à 89% pour une épaisseur de 3,2 mm, et dont la composition 10 chimique comprend de l'oxyde de bismuth en une teneur pondérale comprise entre 0,05 et 1%. Au sens de l'invention, la transmission lumineuse, souvent abrégée � TL �, est calculée entre 380 et 780 mm et ramenée à une épaisseur de verre de 3,2 mm, en prenant en 15 considération l'illuminant D65 tel que défini par la norme ISO/CIE 10526 et l'observateur de référence colorimétrique C.I.E. 1931 tel que défini par la norme ISO/CIE 10527. Les inventeurs ont en effet mis en évidence que l'ajout d'oxyde de bismuth dans les teneurs revendiquées 20 permettait d'améliorer l'homogénéité chimique des verres, particulièrement des verres à forte transmission lumineuse. De ce fait les verres obtenus présentent une transmission lumineuse ou énergétique plus élevée, ce qui est particulièrement appréciable pour les verres utilisés dans 25 le domaine du photovoltaïque ou des miroirs pour la concentration d'énergie solaire. Le mécanisme d'action du bismuth est totalement inconnu et incompris. La feuille de verre selon l'invention présente de préférence une composition chimique de type silico-sodo- 30 calcique, pour des questions de facilité de fusion et de mise en oeuvre. Toutefois, d'autres types de verres peuvent être employés, en particulier des verres de type borosilicate, aluminosilicate ou aluminoborosilicate. On entend par composition de type silico-sodocalcique une composition comprenant de la silice (SiO2) comme oxyde formateur et des oxydes de sodium (soude Na2O) et de calcium (chaux CaO). Cette composition comprend de préférence les constituants suivants en une teneur variant dans les limites pondérales ci-après définies : SiO2 60 - 75 % Al203 0 - 10 % B203 0 5 %, de préférence 0 CaO 5 15 % MgO 0 10 % Na2O 5 20 % K20 0 10 % BaO 0 5 %, de préférence O. La feuille de verre selon l'invention est de préférence telle que sa transmission lumineuse est supérieure ou égale à 90%, notamment 90,5%, voire 91%, pour une épaisseur de 3,2 mm. La feuille de verre selon l'invention est de 20 préférence telle que sa transmission énergétique (TE) calculée selon la norme ISO 9050 (masse d'air 1,5) est supérieure ou égale à 90%, notamment 90,5%, voire 91%, pour une épaisseur de 3,2 mm. La composition chimique de la feuille de verre selon 25 l'invention comprend de préférence de l'oxyde de fer, en une teneur pondérale, exprimée en Fe203, comprise entre 0,005% et 0,05%, notamment entre 0,007% et 0,02%. De telles teneurs permettent d'atteindre de fortes transmissions lumineuses. Des teneurs plus faibles que 0,005% sont 30 toutefois difficiles à obtenir car elles supposent une purification très poussée, et donc coûteuse, des matières premières. 15 La présence de fer dans une composition de verre peut résulter des matières premières, en tant qu'impuretés, ou d'un ajout délibéré visant à colorer le verre. Il est connu que le fer existe dans la structure du verre sous la forme d'ions ferriques (Fe3+) et d'ions ferreux (Fe2+) . La présence d'ions Fe3+ confère au verre une très légère coloration jaune et permet d'absorber les radiations ultraviolettes. La présence d'ions Fe2+ donne au verre une coloration bleu-vert plus prononcée et induit une absorption du rayonnement infrarouge. L'augmentation de la teneur en fer sous ses deux formes accentue l'absorption des radiations aux extrémités du spectre visible, cet effet se faisant au détriment de la transmission lumineuse. La composition de la feuille de verre selon l'invention est de préférence telle que le rédox est inférieur ou égal à 0,4, notamment 0,3, et même 0,2 ou 0,1. Le rédox du verre est défini au sens de la présente invention comme étant le rapport entre la teneur pondérale en oxyde de fer ferreux (exprimé en FeO) et la teneur pondérale en oxyde de fer total (exprimée en Fe2O3). Les faibles rédox permettent en effet d'augmenter la transmission énergétique du verre. Pour atteindre ces faibles rédox et/ou ces fortes transmissions énergétiques, différents moyens sont possibles. La feuille de verre selon l'invention peut notamment contenir de l'oxyde de tungstène WO3 en une teneur pondérale comprise entre 0,1 et 2%, tel qu'enseigné dans la demande FR 2921356. Elle peut également contenir de l'oxyde de potassium en une teneur pondérale comprise entre 1,5 et 10%, tel qu'enseigné dans la demande FR 2921357. La composition chimique de la feuille de verre selon l'invention comprend de préférence de l'oxyde de bismuth en une teneur pondérale comprise entre 0,1 et 0,5%, notamment entre 0,1% et 0,3%. Au-delà de 0,5%, il semble que l'ajout d'oxyde de bismuth ne procure qu'un effet limité, comme s'il existait un phénomène de saturation. La feuille de verre selon l'invention est de préférence plane ou courbée. Elle est avantageusement courbée selon une forme cylindro-parabolique lorsqu'elle est destinée à être utilisée pour la fabrication de miroirs paraboliques pour la concentration d'énergie solaire. La feuille de verre selon l'invention peut être de toute dimension, généralement comprise entre 0,5 et 6 mètres. Son épaisseur est généralement comprise entre 1 et 10 mm. La composition de verre peut comprendre, outre les impuretés inévitables contenues notamment dans les matières premières, une faible proportion (jusqu'à 1 %) d'autres constituants, par exemple des agents aidant à la fusion ou l'affinage du verre (SO3r CL.), ou encore des éléments provenant de la dissolution des réfractaires servant à la construction des fours (par exemple ZrO2). La composition selon l'invention ne comprend de préférence pas d'oxydes tels que Sb2O3r As2O3 ou CeO2. De préférence, la teneur en MoO3 est nulle. La composition de la feuille de verre selon l'invention ne comprend de préférence aucun agent absorbant les rayonnements visibles ou infrarouges (notamment pour une longueur d'ondes comprise entre 380 et 1000 nm) autre que ceux déjà cités. En particulier, la composition selon l'invention ne contient de préférence pas d'agents choisis parmi les agents suivants, ou aucun des agents suivants : les oxydes d'éléments de transition tels que CoO, CuO, Cr2O3r MnO2, les oxydes de terres rares tels que CeO2, La2O3, Nd2O3r ou encore les agents colorants à l'état élémentaire tels que Se, Ag, Cu, Au. Ces agents ont bien souvent un effet colorant indésirable très puissant, se manifestant à de très faibles teneurs, parfois de l'ordre de quelques ppm ou moins (1 ppm = 0,0001%). Leur présence diminue ainsi très fortement la transmission du verre. Pour certaines applications, notamment en ameublement, il est toutefois possible d'ajouter une très faible quantité d'oxyde colorant, notamment de l'oxyde de cobalt en une teneur inférieure à 1 ppm, pour conférer une légère coloration visible au niveau de la tranche du verre. La composition chimique de la feuille de verre selon l'invention ne comprend donc de préférence pas d'or ou d'argent. L'invention a également pour objet un procédé d'obtention d'une feuille de verre selon l'invention, comprenant une étape de fusion dans laquelle on introduit un composé précuseur de l'oxyde de bismuth. Ce composé peut par exemple être de l'oxyde de bismuth Bi203 ou un précurseur comme la bismutite ((BiO)2CO3), ou le nitrate de bismuth (Bi (NO3) 3) . La fusion peut être réalisée en fours continus, chauffés à l'aide d'électrodes et/ou à l'aide de brûleurs, aériens et/ou immergés et/ou disposés dans la voûte du four de manière à ce que la flamme vienne impacter les matières premières ou le bain de verre. Les matières premières sont généralement pulvérulentes et comprennent des matières naturelles (sable, feldspaths, calcaire, dolomie, syénite néphélinique...) ou artificielles (carbonate de sodium ou de potassium, anhydride borique, sulfate de sodium...). Les matières premières sont enfournées puis subissent des réactions de fusion au sens physique du terme et diverses réactions chimiques conduisant à l'obtention d'un bain de verre. Le verre en fusion est ensuite acheminé vers une étape de formage pendant laquelle la feuille de verre va prendre sa forme. Le formage peut être réalisé par différentes méthodes, comme le flottage (dans lequel le verre est déversé sur un bain d'étain fondu), le laminage, l'étirage... Le procédé de laminage, dans lequel le verre passe entre des rouleaux lamineurs, est particulièrement utile pour former des reliefs en surface du verre. La feuille de verre peut ensuite être découpée, façonnée, bombée, trempée... La feuille de verre selon l'invention peut être revêtue sur au moins une des ses faces d'au moins une couche mince ou au moins un empilement apportant au moins une fonctionnalité supplémentaire : couche anti-reflet ou au contraire réfléchissante (par exemple couche d'argenture pour miroirs), couche conductrice (à base par exemple d'oxyde d'étain dopé au fluor ou à l'antimoine, ou d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium ou au gallium, ou d'oxyde mixte d'indium et d'étain), couche bas-émissive ou antisolaire (à base par exemple d'argent, généralement protégé par d'autres couches), couche antisalissures ou autonettoyante (à base par exemple d'oxyde de titane, notamment cristallisé sous forme anatase). Si la feuille de verre est destinée à être utilisée dans des miroirs, notamment des miroirs pour la concentration d'énergie solaire, la feuille est revêtue d'une couche d'argent, laquelle est protégée contre l'oxydation par au moins une couche de peinture. L'invention a enfin pour objet l'utilisation de la feuille de verre selon l'invention dans des cellules photovoltaïques, cellules solaires, miroirs plans ou paraboliques pour la concentration d'énergie solaire, ou encore des diffuseurs pour rétro-éclairage d'écrans de visualisation du type LCD (écrans à cristaux liquides). La feuille de verre selon l'invention peut également être employée pour des applications intérieures (cloisons, ameublement...) ou dans l'électroménager (tablettes de réfrigérateurs...). Elle peut encore être employée dans des écrans ou lampes planes à base de diodes électroluminescentes organiques. D'une manière générale, l'invention a aussi pour objet une cellule photovoltaïque, une cellule solaire, un miroir plan ou parabolique pour la concentration d'énergie solaire, ou encore un diffuseur pour rétro-éclairage d'écrans de visualisation du type LCD comprenant au moins une feuille de verre selon l'invention. Dans le cas des applications dans le domaine du photovoltaïque, et afin de maximiser le rendement énergétique de la cellule, plusieurs améliorations peuvent être apportées, cumulativement ou alternativement : - le substrat peut avantageusement être revêtu d'au moins une couche mince transparente et électroconductrice, par exemple à base de Sn02:F, Sn02:Sb, ZnO:Al, ZnO:Ga. Ces couches peuvent être déposées sur le substrat par différents procédés de dépôt, tels que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou le dépôt par pulvérisation cathodique, notamment assisté par champ magnétique (procédé magnétron). Dans le procédé CVD, des précurseurs halogénures ou organométalliques sont vaporisés et transportés par un gaz vecteur jusqu'à la surface du verre chaud, où il se décomposent sous l'effet de la chaleur pour former la couche mince. L'avantage du procédé CVD est qu'il est possible de le mettre en oeuvre au sein du procédé de formage de la feuille de verre, notamment lorsqu'il s'agit d'un procédé de flottage. Il est ainsi possible de déposer la couche au moment où la feuille de verre est sur le bain d'étain, à la sortie du bain d'étain, ou encore dans l'étenderie, c'est-à-dire au moment où la feuille de verre est recuite afin d'éliminer les contraintes mécaniques. La feuille de verre revêtue d'une couche transparente et électroconductrice peut être à son tour revêtue d'un semi-conducteur à base de silicium amorphe ou polycristallin, de chalcopyrites (notamment du type CIS - CuInSe2) ou de CdTe pour former une cellule photovoltaïque. Il peut notamment s'agir d'une deuxième couche mince à base de silicium amorphe, de CIS ou de CdTe. Dans ce cas, un autre avantage du procédé CVD réside en l'obtention d'une rugosité plus forte, qui génère un phénomène de piégeage de la lumière, lequel augmente la quantité de photons absorbée par le semi-conducteur. - le substrat peut être revêtu sur au moins une de ses faces d'un revêtement antireflets. Ce revêtement peut comprendre une couche (par exemple à base de silice poreuse à bas indice de réfraction) ou plusieurs couches : dans ce dernier cas un empilement de couches à base de matériau diélectrique alternant des couches à bas et haut indices de réfraction et se terminant par une couche à bas indice de réfraction est préféré. Il peut notamment s'agir d'un empilement décrit dans la demande WO 01/94989 ou WO 2007/077373. Le revêtement antireflet peut également comprendre en dernière couche une couche autonettoyante et antisalissure à base d'oxyde de titane photocatalytique, tel qu'enseigné dans la demande WO 2005/110937. On peut ainsi obtenir une faible réflexion durable dans le temps. Dans des applications dans le domaine du photovoltaïque, le revêtement antireflet est disposé en face externe, c'est-à-dire la face en contact avec l'atmosphère, tandis que l'éventuelle couche transparente électroconductrice est disposée en face interne, du côté du semi-conducteur. - la surface du substrat peut être texturée, par exemple présenter des motifs (notamment en pyramide), tel que décrit dans les demandes WO 03/046617, WO 2006/134300, WO 2006/134301 ou encore WO 2007/015017. Ces texturations sont en général obtenues à l'aide d'un formage du verre par laminage. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs. Le tableau 1 ci-après indique la composition chimique de feuilles de verres comparatives (Cl) et selon l'invention (1 et 2), et leurs propriétés optiques : - la transmission énergétique (TE) calculée selon la norme ISO 9050 (masse d'air 1,5), - le facteur de transmission lumineuse globale (TL), calculé entre 380 et 780 mm, en prenant en considération l'illuminant D65 tel que défini par la norme IS0/CIE 10526 et l'observateur de référence colorimétrique C.I.E. 1931 tel que défini par la norme ISO/CIE 10527. Toutes les teneurs sont des teneurs pondérales. Tableau 1 Cl 1 2 SiO2 (%) 71,79 71,59 71,39 Al2O3 (%) 0,8 0,8 0,8 CaO (%) 9,0 9,0 9,0 MgO (%) 4,0 4,0 4,0 Na2O (%) 14,1 14,1 14,0 Fe2O3 (%) 0,01 0,01 0,01 SO3 (%) 0,3 0,3 0,3 Bi2O3 (%) - 0,2 0,5 TE (%) 90,6 90,8 90,8 TL (%) 90,8 91,1 91,1 L'analyse des spectres optiques montre que l'oxyde de bismuth n'a pas d'effet sur le rédox du verre, mais seulement sur les transmissions lumineuse et énergétique. REVENDICATIONS1. Feuille de verre dont la transmission lumineuse est supérieure ou égale à 89% pour une épaisseur de 3,2 mm et dont la composition chimique comprend de l'oxyde de bismuth en une teneur pondérale comprise entre 0,05 et 1%. 2. Feuille de verre selon la revendication 1, dont la composition chimique est de type silico-sodo-calcique. 3. Feuille de verre selon l'une des revendications précédentes, dont la composition chimique comprend de l'oxyde de fer en une teneur pondérale, exprimée en Fe203r comprise entre 0,005% et 0,05%, notamment entre 0,007% et 0,02%. 4. Feuille de verre selon l'une des revendications précédentes, telle que la teneur pondérale en oxyde de bismuth est comprise entre 0,1 et 0,5%. 5. Feuille de verre selon l'une des revendications précédentes, qui est plane ou courbée. 20 6. Feuille de verre selon l'une des revendications précédentes, telle que sa transmission lumineuse est supérieure ou égale à 90%, notamment 91%, pour une épaisseur de 3,2 mm. 7. Feuille de verre selon l'une des revendications 25 précédentes, dont la composition chimique ne comprend pas d'or ou d'argent. 8. Procédé d'obtention d'une feuille de verre selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de fusion dans laquelle on introduit un composé précurseur 30 de l'oxyde de bismuth. 15 9. Utilisation de la feuille de verre selon l'une des revendications de feuille de verre précédentes dans des cellules photovoltaïques, cellules solaires, miroirs plans ou paraboliques pour la concentration d'énergie solaire, ou encore des diffuseurs pour rétro-éclairage d'écrans de visualisation du type LCD (écrans à cristaux liquides).