Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
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Laurent JORET : Ingénieur de l’École de Physique et Chimie Industrielles de Paris (ESPCI) - Doctorat de Chimie de l’Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) - Ingénieur responsable du Groupe CVD à Saint-Gobain Recherche
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Anne PROST : Ancienne Élève de l’École Polytechnique - Docteur en Physique des Solides
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans les habitations et les bâtiments du secteur tertiaire, les parois vitrées ne sont plus simplement destinées à assurer l'entrée de la lumière naturelle ; outre la transparence lumineuse, elles présentent un certain nombre de propriétés telles que l'isolation thermique ou acoustique, le contrôle solaire, un caractère antireflet...
Une volonté de plus en plus franche se fait jour de limiter la consommation d'énergie, d'une part par souci d'économie, d'autre part afin de réduire les émissions atmosphériques (dioxyde de carbone CO2 , oxydes d'azote NOx , dioxyde de soufre SO2 ...), avec pour motivations la réduction de l'effet de serre et la protection de la couche d'ozone. Dans ce cadre, le gouvernement allemand qui a souhaité réduire les émissions de CO2 de 25 % entre 1987 et 2005 a ainsi promulgué une ordonnance visant à limiter l'énergie nécessaire au chauffage des bâtiments. Ces dispositions ont amplifié le développement de vitrages isolants plus efficaces que les doubles vitrages classiques : les doubles vitrages à isolation thermique renforcée présentant, sur une de leurs faces, une couche mince transparente dans le visible mais fortement réfléchissante dans l’infrarouge thermique, c’est-à-dire à faible émissivité.
L'utilisation de ces couches minces à faible émissivité s'explique par les propriétés physiques – électriques – des matériaux déposés sous cette forme. Le choix des verriers s'est orienté vers des matériaux à comportement métallique qui ont la propriété de réfléchir le rayonnement thermique. Deux gammes de matériaux ont été retenues : d'une part, des couches minces métalliques à base d'argent déposées en épaisseur très fine, de l'ordre de la dizaine de nanomètres, d'autre part, des couches minces à base d'oxydes transparents conducteurs plus épaisses, de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Dans les deux cas, les méthodes de dépôt ainsi que les caractéristiques des couches sont décrites.
Pour conclure, nous donnerons d’autres exemples d'applications de substrats de verre revêtus de couches minces conductrices que les vitrages à isolation thermique renforcée.
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Applications des vitrages à basse émissivité
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6. Couches minces à base d'oxydes transparents conducteurs
Plusieurs oxydes métalliques sont transparents dans le domaine visible du spectre solaire (TL ≈ 85 % voire 90 %). Déposés en couches minces de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, ils sont connus et utilisés depuis plus de cinquante ans. Ils ont la propriété d'être particulièrement stables, durs et adhérents à de nombreux substrats. Cette propriété est due à leur structure électronique : les électrons sont répartis dans la bande de valence, ensemble de niveaux d'énergie liés. Si on leur communique suffisamment d'énergie, ils ont la possibilité de passer dans la bande de conduction, ensemble de niveaux d'énergie supérieure, et de participer à la conduction électrique : ce sont des électrons libres au sens du modèle de Drude. Il existe pour ces oxydes un domaine d'énergie, appelé bande interdite, que les électrons ne peuvent pas occuper.
La largeur de la bande interdite des oxydes transparents est l'énergie minimale qui doit être communiquée à un électron pour que celui-ci passe d'un état situé dans la bande de valence à un état situé dans la bande de conduction de l'oxyde. Pour les oxydes transparents, cette largeur de bande interdite est située dans le proche ultraviolet. C'est le cas de l'oxyde d'étain SnO2 (Eg = 3,5 eV), de l'oxyde d'indium In2O3 (Eg = 3,75 eV) ou encore de l'oxyde de zinc ZnO (Eg = 3,3 eV). L'énergie nécessaire à la transition électronique entre la bande de valence et la bande de conduction, peut être apportée entre autres, par des photons. Pour toutes les longueurs d'onde supérieures à celle correspondant à la bande interdite, le matériau est transparent ; le gap des oxydes cités précédemment étant situé dans l'ultraviolet, ils sont donc transparents dans le domaine visible du spectre solaire. À la température ambiante, ces matériaux sont alors des semi-conducteurs isolants électriques.
6.1 Oxydes transparents conducteurs
Les oxydes transparents peuvent être rendus conducteurs grâce à la substitution dans leur réseau cristallin d'atomes métalliques ou d'atomes d'oxygène par un atome susceptible de libérer un ou plusieurs électrons de conduction. Ces oxydes conservent toutefois leur caractère transparent dans le visible ; en effet, leurs propriétés électriques...
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Couches minces à base d'oxydes transparents conducteurs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FRANCK (G.), al - Transparent heat-reflecting coatings based on highly doped semiconductors. - Thin Solid Films, 77, 1981, 107-117.
-
(2) - PARENT (P.), al - Structural Study of Tin-Doped Indium Oxide Thin Films Using X-Ray Absorption Spectroscopy and X-Ray Diffraction. - J. Electrochem. Soc., 139, no 1, janvier 1992.
-
(3) - FANTINI (M.), al - The compositional and structural properties of sprayed SnO2 : F thin films. - Thin Solid Films, 138, 1986, 255-265.
-
(4) - SMITH (A.), al - Relation between solution chemistry and morphology of SnO2-based thin films deposited by a pyrosol process. - Thin Solid Films, 266, 1995, 20-30.
-
(5) - KANE (J.), al - Chemical Vapor Deposition of Transparent Electrically Conducting Layers of Indium Oxide Doped with tin. - Thin Solid Films, 29, 1975, 155.
-
(6) - ZAWADSKI (A.), al - Kinetic Modeling...
NORMES
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Verre dans la construction. Détermination des caractéristiques lumineuses et solaires des vitrages. - NF EN 410 - 11-1999
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Verre dans la construction. Détermination du coefficient de transmission thermique, U – Méthode de calcul. - NF EN 673 - 5-2003
-
Verre dans la construction. Détermination de la transmission lumineuse, de la transmission solaire directe, de la transmission énergétique solaire totale, de la transmission de l’ultraviolet et des facteurs dérivés des vitrages. - ISO 9050 - 8-2003
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Verre dans la construction. Calcul du coefficient de transmission thermique U, en régime stationnaire des vitrages multiples. - ISO 10292 - 7-1994
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