光譜選擇性面板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開內(nèi)容提供一種光譜選擇性面板，該光譜選擇性面板包括第一材料，該第一材料對于波長在可見波長范圍內(nèi)的光是至少部分透射的并且被布置為用于引導(dǎo)適當(dāng)?shù)墓?。此外，該面板包括被定位在第一材料中、第一材料處或第一材料附近的衍射元件。所述衍射元件被布置為主要將波長在IR波段內(nèi)的光偏轉(zhuǎn)。布置第一材料并且定向衍射元件使得與從光譜選擇性面板的橫向方向入射的IR光相關(guān)聯(lián)的至少一部分能量沿著面板導(dǎo)向面板的側(cè)部。
【專利說明】光譜選擇性面板
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種光譜選擇性面板，具體地但不是排他地涉及一種對可見光是透明的并且使紅外光偏轉(zhuǎn)的面板。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)部空間(例如通過大窗口接收太陽光的空間)的過熱是可以利用空調(diào)機(jī)來克服的問題。大量的能量被全球用于冷卻內(nèi)部空間。大部分電能是利用非可持續(xù)資源來生成的，這就是日益增加的環(huán)境問題。
[0003]美國專利號US6285495 (由本 申請人:擁有)公開了一種可以被用作窗玻璃的材料，該材料對可見光是很大程度上透射的但將入射光的一部分偏轉(zhuǎn)至面板的側(cè)部，在面板的側(cè)部處光被光伏電池吸收以生成電力。該材料有兩個好處:由于減少了 IR輻射的透射，所以可以減少對內(nèi)部空間的加熱，并且同時可以生成電能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明在第一方面提供了一種光譜選擇性面板，其包括:
[0005]第一材料，所述第一材料對于波長在可見波長范圍內(nèi)的光是至少部分透射的并且被布置為用于引導(dǎo)適當(dāng)?shù)墓猓?br> [0006]衍射元件，所述衍射元件被定位在第一材料中、第一材料處或第一材料的附近，所述衍射元件被布置來主要將波長在IR波段內(nèi)的光偏轉(zhuǎn)；
[0007]其中布置第一材料并且定向衍射元件以使得與從光譜選擇性面板的橫向方向入射的IR光相關(guān)的至少一部分能量沿著面板導(dǎo)向面板的側(cè)部。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光譜選擇性面板可以被視為對太陽光的IR寬帶擋熱板，并且可用于各種用途。例如，光譜選擇性面板可以設(shè)置為建筑物、汽車、船、或者包括窗口或百葉窗的任意其他對象的窗玻璃的形式；或者光譜選擇性面板可以包括建筑物、汽車、船、或者包括窗口或百葉窗的任意其他對象的窗玻璃。另外，光譜選擇性面板可以形成對象
的覆蓋物。
[0009]在具體實施方案中，衍射元件為光柵如相位光柵并且可以為反射型光柵或透射型光柵。衍射元件可以為二維光柵或三維光柵。
[0010]衍射元件可以具有在IR波段的范圍內(nèi)的光柵周期。例如，光柵周期可以在Ιμ--至10“111、241]1至641]1的范圍內(nèi)，或約4 μ m。
[0011]另外，衍射元件通常被布置為使得可見光的零級透射(zero-ordertransmission)最大化。因此，衍射元件有助于保持高的可見范圍透射，同時保持入射的太陽IR光的偏轉(zhuǎn)，該入射的太陽IR光的偏轉(zhuǎn)有助于通過全內(nèi)反射“捕獲(trapping)”在面板內(nèi)的IR光。
[0012]在一個具體實例中，衍射元件部分地或完全由第一材料構(gòu)成。
[0013]衍射元件可以附接或形成在光譜選擇性面板或任意其組成部分的任意面上。例如，衍射元件可以為蝕刻到光譜選擇性面板的面中的光柵?？商娲?，光柵可以由沉積到光譜選擇性面板部的面上的材料形成。另外，光柵可以被壓印在光譜選擇性面板部的面中或壓印在沉積到光譜選擇性面板部上的材料如聚合材料中。
[0014]衍射元件也可以包括層狀結(jié)構(gòu)，所述層狀結(jié)構(gòu)對于波長在IR波段內(nèi)的光是反射性的，并且對于波長在可見光波長范圍內(nèi)的光可以是透射性的。衍射元件可以為具有被蝕刻或壓印到層狀結(jié)構(gòu)中的具有光柵結(jié)構(gòu)的一維、二維光柵或三維光柵。
[0015]在一個具體實施方案中，衍射元件被夾在光譜選擇性面板部之間。
[0016]在一個實例中，衍射元件包括多個槽。所述多個槽可以至少部分地填充有例如環(huán)氧樹脂、散射材料或發(fā)光材料的材料。
[0017]在可替代實施方案中，衍射元件也是光柵，但包括具有周期性的折射率變化但沒有槽的結(jié)構(gòu)。
[0018]光譜選擇性面板還可以包括被定位在第一材料中或第一材料處的散射材料。散射材料通常表現(xiàn)為高折射率材料的納米或微米粉末，由于其本身的組分或任意所添加的活化劑摻雜劑，所以散射材料也可以具有光致發(fā)光特性，并且這樣的粉末通常被結(jié)合到周圍基質(zhì)材料中，例如結(jié)合到可UV固化的液體環(huán)氧樹脂中，并且該散射材料也可以被布置為在優(yōu)先的方向上散射光。對在周圍環(huán)氧樹脂材料內(nèi)的散射粉末濃度的重量％和特征粉末粒徑(也許為顆粒形狀或晶相內(nèi)容物類型)兩者進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)最大化的可見范圍的透明度以及最可能的IR光偏轉(zhuǎn)/捕獲能力。
[0019]可以在面板結(jié)構(gòu)內(nèi)使用多個這些散射層。
[0020]衍射元件也可以為兩個或更多個衍射元件中之一。
[0021]散射材料可以包括微米尺寸或納米尺寸的顆粒并且可以設(shè)置為膜的形式。
[0022]光譜選擇性面板還可以包括發(fā)光材料，所述發(fā)光材料被布置為使得IR光的一部分被發(fā)光材料吸收，導(dǎo)致通過光致發(fā)光、熒光或磷光來發(fā)射光。基于入射角，發(fā)光材料還有助于將IR光導(dǎo)向光譜選擇性面板的側(cè)部。
[0023]散射材料的一部分也可以分散在第一面板部內(nèi)。如果例如散射材料包括具有寬帶隙的材料，如稀土氧化物(例如Yb2O3或Nd2O3)顆粒，則可以在IR和/或可見波長范圍內(nèi)以基本上無損耗的方式來實現(xiàn)光的散射。
[0024]在一個實施方案中，光譜選擇性面板形成IR特定可見光透射集中器。另外，IR光的一部分被導(dǎo)向面板的側(cè)部，在面板的側(cè)部處光可以被用于例如利用光伏電池產(chǎn)生電能。
[0025]光譜選擇性面板可以包括部件面板部和可以夾在以面對面的關(guān)系定位的部件面板部中的相鄰部件面板部之間的衍射元件和/或散射材料。例如，衍射元件可以被包括在夾在部件面板部之間的層中并且所述層可以在一個側(cè)部處包括衍射元件。或者，光譜選擇性面板可以包括被包括在夾在部件面板部之間的層中的兩個衍射元件，并且所述層可以在相應(yīng)側(cè)部處包括衍射元件。在這兩種情況下，所述層還可以用作將部件面板部耦接至所述層的粘合劑。
[0026]光譜選擇性面板還可以在可以用適當(dāng)?shù)拈g隔物間隔開的部件面板部之間包括間隙，如填充有空氣或氣體的間隙。在一個具體實施方案中，衍射元件和/或散射材料被定位在間隙中或間隙處。限定間隙的部件面板部的表面可以涂覆有散射材料和/或發(fā)光材料。
[0027]在一個實例中，衍射元件包括多個槽并且被定位為使得所述多個槽位于間隙中。[0028]光譜選擇性面板通常還包括反射部件(如反射膜)，所述反射部件被布置為反射紅外(IR)波段內(nèi)的入射光而對于波長在可見波段內(nèi)的至少大部分光在很大程度上是透射的。光譜選擇性面板對于UV光也可以是反射性的。
[0029]光譜選擇性面板通常被布置為使得通常為反射層或多層膜的反射部件定位在光譜選擇性面板的底部(如果用在窗口型產(chǎn)品中，則在面向內(nèi)部的窗口表面處或附近)并且光譜反射部件將通過第一面板部的部分IR光透射反射。
[0030]另外，光譜選擇性面板可以包括頂層，在透射通過光譜選擇性面板的第一面板部之前，光在頂層上入射。頂層通常為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)對于可見光在很大程度上是透射的乃至是抗反射的并且被布置為用于反射IR光的一部分，如由發(fā)光材料發(fā)射的IR光。
[0031]在一個實施方案中，發(fā)光材料包括被布置為用于吸收IR光的可見光透明發(fā)光體。發(fā)光材料也可以被布置為使得入射的UV光的一(小)部分(或入射的可見福射的一小部分)被發(fā)光材料吸收，導(dǎo)致在隨機(jī)的方向上發(fā)射光。
[0032]另外，發(fā)光材料可以被布置為通過所接收的光的頻率的上轉(zhuǎn)換和/或下轉(zhuǎn)換來發(fā)射光。
[0033]發(fā)光材料可以包括有機(jī)或無機(jī)染料分子、激光染料分子和/或金屬氧化物基發(fā)光材料，如適當(dāng)?shù)南⊥裂趸锊牧?，并且可以位于第一面板部?nèi)并在面板的第一面板部的底部或頂部側(cè)?；蛘撸l(fā)光材料可以被集中在第一面板部的中心區(qū)域附近。發(fā)光材料也可以在第一面板部內(nèi)或在第一面板部上形成層?？商娲鼗蛄硗獾兀l(fā)光材料可以分散在第一面板部或第二面板部內(nèi)。在一個具體實例中，第一面板部包括以面對面的關(guān)系布置的部件面板部，并且發(fā)光材料被定位在相鄰的部件面板部之間。
[0034]在一個具體實施方案中，光譜選擇性面板包括至少一個光伏電池，所述光伏電池被定位在光譜選擇性面板的側(cè)部處或其附近，以用于接收一部分IR和由光譜選擇性面板導(dǎo)向該側(cè)部的其它光。例如，所述至少一個光伏電池可以為具有適于吸收IR波長范圍內(nèi)的光的相對較小帶隙的Ge基或GaAs基、或CIGS (銅銦鎵的二硒化物)或CIS (銅銦的二硒化物)光伏電池。另外，所述至少一個光伏電池可以包括具有多個帶隙的光伏電池堆疊體。
[0035]本發(fā)明在第二方面提供了一種光譜選擇性面板，其包括:
[0036]第一材料，所述第一材料對于波長在可見波長范圍內(nèi)的光是至少部分透射的，并且被布置為用于引導(dǎo)適當(dāng)?shù)墓猓?br> [0037]散射材料，所述散射材料被定位在第一材料中或第一材料處，所述散射材料被布置為主要將波長在IR波段內(nèi)的光散射；
[0038]其中所述光譜選擇性面板被布置為使得與從光譜選擇性面板的橫向方向入射的IR光相關(guān)聯(lián)的至少一部分能量沿著面板導(dǎo)向面板的側(cè)部。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案的以下描述，將更充分地理解本發(fā)明。參照附圖來提供描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方案的光譜選擇性面板的圖示；
[0041]圖2為根據(jù)本發(fā)明的另外一個具體實施方案的光譜選擇性面板的圖示；
[0042]圖3為根據(jù)本發(fā)明的另外一個具體實施方案的光譜選擇性面板的另外一個示意性圖示；
[0043]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的可替代實施方案的光譜選擇性面板；
[0044]圖5示出本發(fā)明的另外一個實施方案的示意性圖示；以及
[0045]圖6和圖7示出利用根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案的部件進(jìn)行測量的結(jié)果。
【具體實施方式】
[0046]首先參照圖1，現(xiàn)描述光譜選擇性面板100。光譜選擇性面板100可以設(shè)置為例如建筑物、汽車、船或任何其它適當(dāng)對象的窗玻璃的形式。光譜選擇性面板減少了波長在IR波段內(nèi)的光的透射而對于可見光在很大程度上是透射的。光譜選擇性面板100被布置為使IR光轉(zhuǎn)向，并利用經(jīng)轉(zhuǎn)向的IR光來產(chǎn)生電能。
[0047]在本實施方案中，光譜選擇性面板100包括玻璃面板102和104。在玻璃面板102的面上設(shè)置有衍射元件106。玻璃面板102和104由填充有材料108的間隙間隔開，所述材料108用作散射材料和/或發(fā)光材料結(jié)合到其中的透明基質(zhì)以及粘合劑，因而使其成為復(fù)合功能材料。將在下文更詳細(xì)地描述材料108。
[0048]面板102和104的外表面分別涂覆有多層涂層112和110。在光譜選擇性面板100的側(cè)部定位有太陽能電池114。應(yīng)理解，光譜選擇性面板100可以包括任意數(shù)目的太陽能電池，如僅在一個側(cè)部處僅定位有一個單個太陽能電池、2個、3個或4個、或多于4的太陽能電池?？梢允褂脤⑦@些太陽能電池電連接在一起的多種可能方式，即太陽能電池的串聯(lián)連接、全部并聯(lián)以及更復(fù)雜的串聯(lián)連接的并聯(lián)束。
[0049]衍射兀件106被布置為對入射的IR光和反射的IR光進(jìn)行光譜偏轉(zhuǎn)而對可見光進(jìn)行透射。箭頭120示意性地示出入射IR光的偏轉(zhuǎn)。在該具體實例中，衍射元件106為透射模式閃耀衍射光柵并且被設(shè)計成使得大部分入射太陽IR光被偏轉(zhuǎn)入單個優(yōu)選衍射級，其中針對由入射到窗口表面上的預(yù)期典型正午太陽輻射入射角支配的光入射角對光柵設(shè)計特征進(jìn)行優(yōu)化。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，衍射元件106也可以以反射模式操作。
[0050]在該具體實施方案中，衍射元件106例如通過蝕刻形成在玻璃面板102的面上。因此，衍射元件106也由玻璃構(gòu)成，或者可替代地，可以在玻璃基板上沉積透明膜層(如SiO2),然后可以對該膜層進(jìn)行蝕刻或機(jī)械加工以形成衍射結(jié)構(gòu)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以設(shè)想其它布置。例如，可以通過將光柵結(jié)構(gòu)壓印在聚合材料中來形成衍射元件106。在這種情況下，可以在遠(yuǎn)程位置處形成光柵106，然后將光柵106粘附至玻璃面板102。可替代地，可以通過首先將聚合材料(或其它適當(dāng)?shù)牟牧?施用到玻璃面板102的面來在玻璃面板102上形成光柵106。
[0051]在一個實例中，光譜選擇性面板包括可以包含聚乙烯醇縮丁醛(PVB)并且夾在兩個玻璃面板之間的層(未不出)。在該實例中，該層包括發(fā)光材料和散射材料。在該層的每個面中壓印一個衍射光柵，然后將該層在光柵處粘附至玻璃面板，通過玻璃面板的表面部分來封閉光柵的這些槽。這些層通常還用作用于耦接至玻璃面板的粘合劑。
[0052]可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過調(diào)節(jié)以下參數(shù)來設(shè)計衍射元件106的光譜特性:折射率；光柵輪廓形狀；閃耀角；占空比(duty cycle);光柵周期；相位等級數(shù)和蝕刻深度。在該具體實例中，衍射光學(xué)元件106包括多個槽110，每個槽距相鄰槽的距離(光柵周期)在4μπι的范圍內(nèi)。[0053]所述多個槽110以及玻璃面板102、104之間的間隙填充有材料108。材料108為包括環(huán)氧樹脂的發(fā)光散射粉末。材料108提供粘附功能、發(fā)光功能、還有散射功能。
[0054]通過發(fā)光散射粉末進(jìn)行的入射光的散射增加了光的被導(dǎo)向面板100的側(cè)部的部分。該功能由箭頭122示意性地示出。
[0055]可以通過發(fā)光材料來吸收從光譜選擇性面板的橫向方向入射的光，導(dǎo)致以隨機(jī)方向發(fā)射的發(fā)光輻射的發(fā)射，這由箭頭124示意性地示出。這導(dǎo)致了與入射輻射相比較少橫向定向的輻射，因此有助于將光導(dǎo)向玻璃面板102和104的側(cè)部從而導(dǎo)向太陽能電池114以生成電能。
[0056]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，玻璃面板102和104也可以摻雜有發(fā)光材料，所述發(fā)光材料吸收進(jìn)入的IR光和UV光的一部分并以隨機(jī)方向發(fā)射發(fā)光福射。
[0057]涂層110為多層涂層并且布置為將在寬IR波段內(nèi)的入射IR光反射。另外，多層涂層Iio對于可見光是抗反射的并且對于入射UV光是反射的。因此，IR光和UV光的從光譜選擇性面板100的頂部入射的部分透射通過玻璃面板102和104，然后被多層涂層110反射。玻璃面板102和104被布置為使得:基于反射角，被反射光的一部分被沿著玻璃板102和104導(dǎo)向太陽能電池114,在太陽能電池114處IR光可以被吸收以用于產(chǎn)生電能。
[0058]被層110以橫向方向反射的部分IR光被層108散射使得相應(yīng)的光強(qiáng)度通過多次散射和/或內(nèi)部反射而被導(dǎo)向太陽能電池114。因此，層108的散射特性有助于IR輻射的通量的減少和能量生成的效率。
[0059]頂部涂層112可以在UV和可見波長范圍內(nèi)具有抗反射特性，以盡可能多的使用在面板結(jié)構(gòu)內(nèi)的入射UV能量，并因此激發(fā)一系列的無機(jī)發(fā)光體，或者可替代地，頂部涂層112可以在UV內(nèi)具有高反射特性并且還在整個可見波長范圍內(nèi)具有抗反射特性，并且同時用作部分IR反射器?？梢姺秶狗瓷涮匦砸部梢酝ㄟ^設(shè)計進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使在入射角的特定范圍內(nèi)的入射光能量的反射最小化。在另一實施方案中，頂部涂層112被布置為對于UV輻射是高反射的同時對可見光是抗反射的并且可選地還在其中發(fā)光材料發(fā)射光的IR波長(子)段內(nèi)是高反射的。在該實例中，UV段中的高反射特性用于防止發(fā)光體被入射UV輻射不利地影響。該涂層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要將在發(fā)光材料所發(fā)射的光的波長范圍內(nèi)的IR光反射。因此，涂層112在很大程度上防止所生成的發(fā)光輻射逃逸而不導(dǎo)向至光伏電池114。
[0060]可以將光譜選擇性面板100的功能總結(jié)如下。在由衍射元件106偏轉(zhuǎn)并且通過材料108進(jìn)行多次散射的事件之后，光子的增加部分將以超過全內(nèi)反射角的角度傳播?？紤]到太陽IR光的大部分以大角度入射(通過散射和發(fā)光輻射的發(fā)射變得容易)，該IR光的大部分將在光譜選擇性面板100內(nèi)被捕獲并且將到達(dá)面板100的側(cè)部。頂部涂層112被設(shè)計為將由發(fā)光體發(fā)射的光反射并且對可見光透明。底部涂層110將反射所有角度和波長的IR光的絕大部分。與通過偏轉(zhuǎn)和多次散射的進(jìn)入光子的角度再分配相結(jié)合的這些特性是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光譜選擇性面板100的獨(dú)特特征。
[0061]應(yīng)理解，在可替代實施方案中，光譜選擇性面板100可能不一定包括光伏電池114，但可能例如包括布置為用于移除以IR輻射的形式被導(dǎo)向光譜選擇性面板100的側(cè)部的熱能的出口等。一些側(cè)部還可以被涂覆包括Al或Ag或者任何適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)涂層的高反射材料，所述高反射材料將離開該側(cè)表面的光重新導(dǎo)向面板的另外的側(cè)表面。[0062]現(xiàn)在參照圖2和圖3，現(xiàn)在將根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案描述光譜選擇性面板200、300的衍射元件206、306。
[0063]衍射元件206形成在玻璃面板102的面上并且為透射模式閃耀衍射光柵或不同輪廓類型(鋸齒狀、矩形狀或梯形狀)的帶槽衍射光柵。
[0064]在該具體的實例中，衍射元件206包括多個槽，其中每個槽均具有矩形橫截面形狀。
[0065]玻璃面板102和104由填充有材料208的間隙間隔開。材料208由其中分散有發(fā)光散射粉末和顏料的光學(xué)環(huán)氧樹脂構(gòu)成。環(huán)氧樹脂將玻璃面板104耦接至玻璃面板102。材料208還具有發(fā)光和散射特性。
[0066]圖3示出包括衍射元件306的光譜選擇性面板300。在本實施方案中，衍射元件306還包括槽，但是每個槽均具有三角形橫截面形狀。
[0067]類似于光譜選擇性面板200，玻璃面板102和104由填充有材料308的間隙間隔開，其中所述材料308由其中分散或溶解有發(fā)光粉末和顏料的環(huán)氧樹脂所構(gòu)成。
[0068]現(xiàn)在參照圖4，現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的光譜選擇性面板400。
[0069]在本實施方案中，玻璃面板102和104之間的間隙填充有空氣。類似于雙層玻璃窗戶的結(jié)構(gòu)，間隙提供了熱隔離、改善的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、噪音隔離和另外的高折射率對比界面，這些導(dǎo)致改善了在玻璃面板內(nèi)由于全內(nèi)反射而引起的多次反射的基礎(chǔ)上的光捕獲可能性。
[0070]應(yīng)理解，在可替代實施方案中，間隙可以填充有任何其它適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料。還應(yīng)理解，在所描述的實施方案的變化方案中，光譜選擇性面板100可以包括任意數(shù)目的玻璃面板，所述玻璃面板可能會或可能不會在相鄰玻璃面板之間限定間隙。另外，一個玻璃面板或多個玻璃面板可以被替換為適當(dāng)?shù)钠渌牧?如包括例如聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚氯乙烯(PVC)的聚合材料)的面板并且還可以被設(shè)置為層疊形式，如安全玻璃。
[0071]玻璃面板102和104的內(nèi)表面涂覆有涂層408。玻璃面板102和104由透明玻璃間隔物406間隔開。
[0072]在該實例中，每個涂層408均包括多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)被布置為優(yōu)先將IR光沿朝向面板400的側(cè)部的方向散射。在本實施方案中，涂層408包括具有相對較寬的帶隙的納米尺寸或微米尺寸的稀土氧化物顆粒，使得所述散射是有效無損耗的(無吸收的)。另夕卜，涂層(或?qū)?408可以包括將玻璃面板102和104耦接至間隔物406的環(huán)氧樹脂。
[0073]所述層408還包括發(fā)光材料，并且上述稀土氧化物被摻雜以具有該功能。例如，如果光從光譜選擇性面板的橫向方向入射，貝1J然后被發(fā)光材料吸收，隨后以隨機(jī)方向發(fā)射所發(fā)射的光輻射。這導(dǎo)致了較少橫向定向的輻射，并且將以如下方向發(fā)射發(fā)光輻射的一部分:所述方向使得玻璃面板102和104將使發(fā)光福射導(dǎo)向太陽能電池114以用于生成電能。
[0074]玻璃面板102和104還可以摻雜有發(fā)光材料，所述發(fā)光材料吸收進(jìn)入的IR光和UV光的一部分并以隨機(jī)方向但在空間上各向同性的方式發(fā)射發(fā)光福射。
[0075]被層110以橫向方向反射的部分IR光被層408散射,使得相應(yīng)的光強(qiáng)度通過多次散射和/或內(nèi)反射被導(dǎo)向太陽能電池114。因此，層408的散射特性有助于IR輻射的通過量的減少和能量生成的效率。
[0076]在本實施方案中，玻璃面板102和104之間的間隙填充有空氣。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，間隙可以填充有任何其它適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料。
[0077]在該實例中包括的、設(shè)置在層408中的發(fā)光材料分別位于玻璃面板102和104的頂面和底面。可替代地，發(fā)光材料可以被定位在玻璃面板102和104中的僅一者處，玻璃面板102和104可以摻雜有發(fā)光材料或可以包括發(fā)光材料。
[0078]現(xiàn)在參照圖5，現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的光譜選擇性面板500。發(fā)光散射粉末包括為組合物且提供發(fā)光功能并且還具有散射功能的單一材料。可替代地，發(fā)光散射粉末可以為組分材料的混合物，并且每個組分材料可以具有各自的功能。光譜選擇性面板500包括玻璃面板102和104。在本實施方案中，玻璃面板由包括光學(xué)環(huán)氧樹脂的層506間隔開，所述光學(xué)環(huán)氧樹脂中分散有發(fā)光散射粉末和顏料。可替代地，層506可以包括包含散射材料和/或發(fā)光材料的懸浮液或溶液。因此，層506結(jié)合了將玻璃面板102和104彼此耦接的功能、提供發(fā)光材料的功能和用作散射層的功能。
[0079]光譜選擇性面板400和500的散射層利用RF濺射而形成并且包括稀土氧化物。可以包括或提供散射層，而不是上述層408和506。這些稀土氧化物層被制備成使得它們具有在IR波長范圍內(nèi)優(yōu)先散射/漫射的特性并且具有負(fù)責(zé)在IR波長范圍內(nèi)優(yōu)先散射的非晶表面涂層(通過烘箱退火工藝形成)。這些微晶稀土氧化物層(可以包括例如Yb2O3層)具有700nm至1500nm的厚度，并且在純Ar氣氛中利用RF磁控濺射而被沉積在玻璃上，并且在沉積之后，在空氣中以600°C的溫度通過烘箱處理3小時來對其進(jìn)行再氧化和退火(結(jié)晶化)。
[0080]散射層408和506將散射功能(如光學(xué)無損耗散射)與發(fā)光能量轉(zhuǎn)換功能相結(jié)合。層408和506具有數(shù)百納米的厚度并且包括稀土材料(如Yb203、Nd203)的納米尺寸或微米尺寸的顆粒，所述稀土材料在其電子能級結(jié)構(gòu)內(nèi)具有寬帶隙并且在IR波長范圍內(nèi)還有可見波長范圍內(nèi)能夠進(jìn)行基本上無損耗的光散射。稀土顆粒由光學(xué)透明的可UV固化環(huán)氧樹脂(如Norland N0A63環(huán)氧樹脂)連接。另外，發(fā)光體(顏料和納米粉末材料)分散在層408和506的環(huán)氧樹脂材料內(nèi)。在一個實例中，IR可激發(fā)混合有機(jī)-無機(jī)發(fā)光體以約0.25-lwt%左右的濃度分散在環(huán)氧樹脂中。
[0081]稀土氧化物也可以摻雜有例如表示為稀土金屬離子的稀土發(fā)光材料，并且可以例如被設(shè)置為Y2O3: Eu、Y2O3 = Er或NaYF4 = Yb的形式。
[0082]光譜選擇性面板400和500通常還包括衍射元件(未示出)，如參照圖1所描述的衍射元件106。
[0083]現(xiàn)在將進(jìn)一步詳細(xì)描述根據(jù)如例如圖1至圖5所示的實施方案的光譜選擇性面板的IR反射層110。
[0084]層110被設(shè)置為多層光學(xué)干涉涂層濾光器的形式，所述多層光學(xué)干涉涂層濾光器具有超寬帶熱鏡特性并且使用三重堆疊邊沿濾光器設(shè)計。層110在UV范圍內(nèi)也是反射性的。利用RF濺射技術(shù)從A1203、SiO2和Ta2O5形成層110。在這些實施方案中，這樣的涂層的總厚度為4 μ m至8 μ m之間，并且，在層序列內(nèi)的光學(xué)材料的順序可以基于所選擇的設(shè)計而變化。退火實驗(在具有5°C /min的升溫速率的600°C下進(jìn)行3小時)證明了良好的穩(wěn)定性。相對于常見的化學(xué)溶劑類型的作用，層110是耐刮擦和耐裂的、耐熱性的、非吸濕性和穩(wěn)定的。
[0085]對在玻璃上的涂層110的性能特性進(jìn)行測試和建模。結(jié)果表明，整體集成的太陽IR光功率的包含在700nm至1700nm的波長范圍內(nèi)的并且在光學(xué)上透射通過基底-涂層系統(tǒng)的部分僅為約4%。由于涂層110具有超寬帶特性，所以IR功率反射率對于入射角的寬范圍是有效的。
[0086]如上所述，將頂部涂層112設(shè)置為光譜選擇發(fā)射鏡的形式。涂層110包括A1203、SiO2和Ta2O5的多層(20至25)，并利用RF濺射技術(shù)來制備。在這些實施方案中，層112被設(shè)計成使得尤其通過反射來防止在光譜選擇性面板內(nèi)生成的發(fā)光輻射透射通過涂層112。這樣的涂層的厚度隨著設(shè)計要求而變化并且在數(shù)微米的范圍內(nèi)。
[0087]圖6示出在玻璃上的這樣的稀土氧化物層(如例如圖4和圖5所示的實施方案中描述的)的透射和吸收光譜(強(qiáng)度作為單位為nm的波長的函數(shù))。曲線600示出針對具有約為I μ m厚度的散射層的透射光譜，曲線602示出總反射(鏡面反射和漫反射)，曲線604示出相應(yīng)的光損耗光譜(由吸收和散射的透射損耗以及反射損耗的貢獻(xiàn)的總和表示)。該層示出了在覆蓋了近IR范圍的大部分的IR光譜范圍內(nèi)的優(yōu)先散射。可見光透明度接近80%。在與折射率接近1.49 (與玻璃相匹配)的光學(xué)環(huán)氧樹脂進(jìn)行接觸之后，減少了散射并且改善了透明度。當(dāng)被適當(dāng)?shù)墓饧ぐl(fā)時，該稀土氧化物散射層具有發(fā)光特性。
[0088]圖7示出光譜選擇性面板400和500的透射光譜(透射部分的強(qiáng)度作為以nm為單位的波長的函數(shù))。曲線700示出針對光譜選擇性面板400類型的面板(具有空氣間隙)所測量的透射數(shù)據(jù)，曲線702示出針對光譜選擇性面板500類型的面板(沒有空氣間隙)所測量的透射數(shù)據(jù)。
[0089]值得注意的是，面板400的空氣間隙不會顯著影響可見光的透射。另外，由于環(huán)氧樹脂的折射率與玻璃相匹配，所以環(huán)氧樹脂本身不引起任何顯著的透射損耗。
[0090]光譜選擇性面板400的功能可以被總結(jié)如下。在多次散射穿過散射層和界面之后，(統(tǒng)計上的)更多的光子將以超過全內(nèi)反射角的角度傳播以用于光線在由空氣包圍的玻璃面板內(nèi)傳播?？紤]到太陽IR光的大部分以大角度入射(通過散射和發(fā)光輻射的發(fā)射而變得容易)，該IR光的大部分將在光譜選擇性面板400內(nèi)被捕獲并且將到達(dá)的面板400的側(cè)部。頂部涂層112被設(shè)計成將由發(fā)光體發(fā)射的光反射而對可見光是透明。在一些實施方案中，可以使用該涂層的光譜特征來在顏色范圍內(nèi)為面板提供預(yù)期的可見著色以適應(yīng)不同的產(chǎn)品類型。底部涂層110將反射所有角度和波長的IR光的絕大部分。與通過在相對較薄的不吸收的或弱吸收的發(fā)光層408內(nèi)的多次散射的進(jìn)入光子的角度再分配相結(jié)合的這些特性是根據(jù)本發(fā)明實施方案的光譜選擇性面板400的獨(dú)特特征。散射效果也能夠通過改善發(fā)光體的吸收路徑長度來增強(qiáng)發(fā)光過程。
[0091]雖然已參照具體實例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明可以體現(xiàn)為許多其他形式。例如，光譜選擇性面板100和200分別包括反射性頂部涂層和底部涂層112,110和210、208。應(yīng)理解，在所描述的實施方案的變化方案中，光譜選擇性面板100和200可以不包括這樣的反射性頂部涂層和底部涂層。
【權(quán)利要求】
1.一種光譜選擇性面板，包括: 第一材料，所述第一材料對于波長在可見波長范圍內(nèi)的光是至少部分透射的并且被布置為用于引導(dǎo)適當(dāng)?shù)墓猓? 衍射元件，所述衍射元件被定位在所述第一材料中、所述第一材料處或所述第一材料的附近，所述衍射元件被布置為主要將波長在IR波段內(nèi)的光偏轉(zhuǎn)； 其中布置所述第一材料并且定向所述衍射元件以使得與從所述光譜選擇性面板的橫向方向入射的IR光相關(guān)聯(lián)的至少一部分能量沿著所述面板導(dǎo)向所述面板的側(cè)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件部分地由所述第一材料構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件完全由所述第一材料構(gòu)成。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件為光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件為相位光柵并且具有在2 μ m至6 μ m的范圍內(nèi)的光柵周期。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光譜選擇性面板，其中所述光柵形成在所述光譜選擇性面板的面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光譜選擇性面板，其中所述光柵被壓印在所述光譜選擇性面板的面中。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光譜選擇性面板，其中所述光柵被蝕刻在所述光譜選擇性面板的面中。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光譜選擇性面板，其中所述光柵由沉積到所述光譜選擇性面板部的面上的材料形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光譜選擇性面板，其中所述光柵被壓印在沉積到所述光譜選擇性面板部上的材料中。
11.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光譜選擇性面板，其中所述光柵被蝕刻在沉積到所述光譜選擇性面板的面上的材料的面中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件被附接至所述光譜選擇性面板的面。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件夾在所述光譜選擇性面板的各部分之間。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件包括多個槽。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光譜選擇性面板，其中所述多個槽至少部分地填充有另外的材料。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件包括定位在所述第一材料中或所述第一材料處的散射材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光譜選擇性面板，其中所述散射材料包括層狀結(jié)構(gòu)并且被布置為沿著優(yōu)先方向散射光。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件被包括在夾在部件面板部之間的層中，其中所述層在一個側(cè)部處包括所述衍射元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的光譜選擇性面板，包括至少兩個衍射元件，所述至少兩個衍射元件被包括在夾在部件面板部之間的層中，其中所述層在相應(yīng)側(cè)部處包括所述衍射元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的光譜選擇性面板，其中所述層還用作將所述部件面板部耦接至所述層的粘合劑。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，還包括發(fā)光材料，所述發(fā)光材料被布置為使得IR光的一部分被所述發(fā)光材料吸收。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，包括包含微米尺寸或納米尺寸顆粒的散射材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光譜選擇性面板，其中以在所述IR和/或可見波長范圍內(nèi)基本上無損耗的方式實現(xiàn)所述光的散射，并且其中所述散射材料包括稀土氧化物顆粒。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，包括在面板部之間的間隙。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光譜選擇性面板，其中所述間隙被空氣填充。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件被定位在所述間隙中或所述間隙處。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光譜選擇性面板，其中所述衍射元件包括多個槽并且被定位成使得所述多個槽位于所述間隙中。
28.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，包括反射部件，所述反射部件被布置為將在紅外(IR)波段內(nèi)的入射光反射而對于波長在所述可見波段內(nèi)的至少大部分光是很大程度上透射的。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，包括頂層，在光透射通過所述光譜選擇性面板的第一面板部之前，光在所述頂層上入射。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的光譜選擇性面板，其中所述頂層為多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)對于可見光是很大程度上透射的乃至是抗反射的并且被布置為用于反射IR光的一部分。
31.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光譜選擇性面板，其中所述發(fā)光材料包括被布置為用于吸收IR光的可見光透明發(fā)光體。
32.根據(jù)權(quán)利要求21或31所述的光譜選擇性面板，其中所述發(fā)光材料被布置為通過所接收的光的頻率的上轉(zhuǎn)換和/或下轉(zhuǎn)換來發(fā)射光。
33.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光譜選擇性面板，包括至少一個光伏電池，所述光伏電池被定位在所述光譜選擇性面板的側(cè)部處或其附近，用于接收一部分的IR和由所述光譜選擇性面板導(dǎo)向側(cè)部的其它光。
34.一種光譜選擇性面板，包括 第一材料，所述第一材料對于波長在可見波長范圍內(nèi)的光是至少部分透射的，并且被布置為用于引導(dǎo)適當(dāng)?shù)墓猓? 散射材料，所述散射材料被定位在第一材料中或第一材料處，所述散射材料被布置為主要將波長在IR波段內(nèi)的光散射； 其中所述光譜選擇性面板被布置為使得與從所述光譜選擇性面板的橫向方向入射的IR光相關(guān)聯(lián)的至少一部分能`量沿著所述面板導(dǎo)向所述面板的側(cè)部。
【文檔編號】E06B3/66GK103688199SQ201280032948
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月1日
【發(fā)明者】維克托·羅森貝格, 米哈伊爾·瓦西列夫, 卡邁勒·阿拉梅赫 申請人:特羅皮格拉斯科技有限公司