光谱选择面板的制作方法

光谱选择面板的制作方法
【专利摘要】本发明公开内容提供一种光谱选择面板，该光谱选择面板包括第一面板部，该第一面板部对于波长在可见波长范围内的光是至少部分透射的。该面板还包括第一反射部件，该第一反射部件被布置为将在红外（IR）波长段内和在紫外（UV）波长段内的入射光进行反射而对于波长在可见波长段内的光是至少部分透射的。
【专利说明】光谱选择面板
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光谱选择面板，具体地但非排他地涉及一种对可见(VIS)光是可透过的而使红外光转向的面板。
【背景技术】
[0002]内部空间(例如通过大窗口接收太阳光的空间)的过热是可以利用空调机来克服的问题。大量的能量被全球用于冷却内部空间。大部分电能是利用非可持续资源来生成的，这就是日益增加的环境问题。
[0003]美国专利号US6285495 (由本 申请人:拥有)公开了一种可以被用作窗玻璃的材料，该材料对可见光是显著透射的但将入射光的一部分转向至面板的侧部，在面板的侧部处光被光伏电池吸收以生成电力。该材料有两个好处:由于减少了 IR辐射的透射，所以可以减少对内部空间的加热，并且同时可以生成电能。

【发明内容】

[0004]本发明在第一方面提供了一种光谱选择面板，其包括:
[0005]第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及
[0006]第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为将在从约300nm至约420nm的波长范围内的超过90%的入射辐射进行反射。
[0007]第一反射部件通常被布置为将在从约300nm至约420nm的波长范围内的超过92%、超过94%、超过96%或超过98%的入射辐射进行反射。
[0008]本发明在第二方面提供了一种光谱选择面板，其包括:
[0009]第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及
[0010]第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为使得在从约380nm至约420nm的波长范围内，透射率从小于10%增加至大于60%。
[0011]第一反射部件通常被布置为使得在从约380nm至约420nm的波长范围内，透射率从小于5%增加至大于80%。
[0012]本发明在第三方面提供一种光谱选择面板，其包括:
[0013]第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及
[0014]第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光反射而同时被布置为使得在约400nm至约680nm_750nm的波长范围内，超过40%、超过50%、超过60%、超过70%、超过80%或超过90%的入射光被透射。
[0015]本发明在第四方面提供了一种光谱选择面板，其包括:
[0016]第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及
[0017]第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为使得在从约600nm至约800nm的波长范围内，透射率从至少60%减少至小于10%。
[0018]第四方面的第一反射部件通常被布置为使得在从约600nm至约800nm的波长范围内，透射率从至少80%减少至小于5%。
[0019]根据第四方面的光谱选择面板通常还被布置为使得在从约380nm至约420nm的波长范围内，透射率从小于5%-10%增加至大于60%-80%。
[0020]根据第四方面的光谱选择面板还可以被布置为将在约300nm至约410nm的波长范围内的超过90%、超过92%、超过94%、超过96%或超过98%的入射辐射进行反射。
[0021]本发明在第五方面提供了一种光谱选择面板，其包括:
[0022]第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及
[0023]第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，
[0024]第一反射部件被布置为将在约700nm至约1700nm的波长范围内的入射辐射的超过90%的太阳能进行反射。
[0025]第一反射部件通常被布置为将在约700nm至约1700nm的波长范围内的入射辐射的超过92%、超过94%、超过96%或超过98%的太阳能进行反射。
[0026]本发明在第六方面提供了一种光谱选择面板，其包括:
[0027]第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及
[0028]第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件仅包括介质材料。
[0029]以下描述涉及本发明的第一方面、第二方面、第三方面、第四方面、第五方面和第六方面。
[0030]光谱选择面板通常被布置为使得与从光谱选择面板的横向方向入射的IR光相关联的至少一部分能量被第一反射部件反射并且随后沿着面板导向面板的侧部。
[0031]光谱选择面板可以用于各种目的。例如，光谱选择面板可以被设置为建筑物、汽车、船的窗玻璃或包括窗口或百叶窗的任意其他对象的形式，或者光谱选择面板可以包括建筑物、汽车、船的窗玻璃或包括窗口或百叶窗的任意其他对象。另外，光谱选择面板可以形成对象的覆盖物。[0032]第一反射部件通常为膜如可以被附接至第一面板部或沉积在第一面板部上的光学干涉涂层，其例如可以被设置为玻璃面板部的形式或者可以由可以为柔性的聚合物材料形成。
[0033]光谱选择面板通常还包括被布置为吸收波长在IR波长段内的至少一部分入射光和/或反射光并且通过发光性来发射光的发光材料。
[0034]光谱选择面板可以被布置为使得在光入射半空间内，在多个立体角(合计达2*Pi球面度)内从横向方向入射的IR光被第一反射部件反射。
[0035]在本发明的一个具体实施方案中，第一反射部件被设置为通常包括层状结构的反射层的形式。层状结构通常为包括至少两层、通常三层的相应材料层堆叠体的光学干涉结构，如三重堆叠边沿滤光器，所述相应材料层例如可以包括A1203、Si02*Ta205。在一个实施方案中，层状结构用作短波通滤光器并且还用作热镜。层通常对于可见光的至少大部分波长范围或甚至整个波长范围具有抗反射特性。
[0036]第一面板部可以包括可以以面对面的关系耦接在一起的两个或更多个部件面板部，如玻璃面板部。可以使用适当的粘合剂来将部件面板部耦接在一起。
[0037]在一个具体实施方案中，光谱选择面板包括第二反射部件，所述第二反射部件被布置为将波长在IR波长范围内(如在热IR辐射的波长范围内)的至少一部分辐射反射。第二反射部件可以被布置为将波长在如下范围内的辐射中的至少一部分、通常大部分反射:1500nm至5000nm的范围；1500nm至IOOOOnm的范围；1500nm至20000nm的范围。第二反射部件通常被布置为使得波长在750nm至1300nm、750nm至1400nm、或750nm至1500nm的范围内的福射的透射分别比波长在1500nm至2000nm、1600nm至5000nm或1700nm至5000nm的辐射的透射大50%、70%、80%或者甚至90%。在一个具体实施方案中，第二反射部件被布置为使得波长在1600nm至lOOOOnm、1700nm至IOOOOnm或1800nm至IOOOOnm的范围内的至少大部分辐射的透射具有被减少到入射辐射的20%、15%、10%、5%、3%、2%或甚至1%的强度。
[0038]第二反射部件通常被设置为膜(如可以附接至或沉积在第一面板部上的光学干涉涂层)的形式。
[0039]第二反射部件通常被布置为使得能量中的与热IR辐射(如从与光谱选择部件相邻的内部空间入射的热IR辐射)相关联的至少一部分能量、通常大部分能量被反射，并且使得在IR波长段内的入射太阳光的至少一部分、通常大部分透射通过第二反射部件。如上所述，第一反射部件通常被布置为将IR波长段内和UV波长段内的入射太阳光反射并且对于波长在可见波长段内的光是至少部分透射的。在使用中，光谱选择面板通常被定位为使得在入射太阳光穿过第一反射部件之前先穿过第二反射部件。另外，在使用中，光谱选择面板通常被定位为使得热IR辐射(如来自与光谱选择面板相邻的内部空间的热IR辐射)在穿过第二反射部件之前先穿过第一反射部件。根据本发明的具体实施方案的第一反射部件与第二反射部件的组合将第二反射部件提供的热绝缘特性与第一反射部件的太阳选择特性相组合。
[0040]第一反射部件和第二反射部件通常被附接至或沉积在第一面板部的相反侧上。可替代地，第一面板部可以包括两个或更多个部件面板部并且第二反射部件可以被附接至另一部件面板部而非第一反射部件。例如，光谱选择面板可以被布置为使得第一反射部件面向内部空间(如建筑物的内部空间)而第二反射部件位于与内部空间和第一反射部件间隔开的位置处。
[0041]光谱选择面板通常还包括被布置为增加入射光的散射的散射材料如主要将波长在IR波长范围内的光散射的散射材料。例如，散射材料可以包括微米大小的或纳米大小的颗粒并且可以被设置成膜的形式。可替代地，散射材料可以散布在第一面板部内或散布在将两个面板部耦接的粘合剂内。如果例如使用具有相对较宽的能带隙的散射材料，如稀土氧化物(例如Yb2O3或Nd2O3)颗粒，则可以以在IR波长范围和/或可见波长范围内基本上无损耗的方式实现光的散射。
[0042]在一个具体实施方案中，第一面板部包括部件面板部和夹在以面对面的关系定位的部件面板部的相邻部件面板部之间的散射材料。在本实施方案中，散射材料还可以包括发光材料并且可以用作以面对面的关系将部件面板部耦接在一起的粘合剂。
[0043]光谱选择面板还可以在部件面板部之间包括间隙，其中部件面板部可以利用适当的间隔物间隔开。间隙通常填充有流体如空气或其他适当的气体材料或适当的液体。例如，限定间隙的部件面板部的表面可以涂覆有散射材料和/或发光材料。部件面板部的表面还可以包括光学衍射元件。
[0044]在一个具体实例中，散射材料被布置为优选散射IR光而至少大部分的入射可见光显著地透射通过散射材料。散射材料可以包括具有多个层的层状结构并且层中的一个或更多个层可以具有非晶结构。散射材料还可以包括其中纳米晶体或微米晶体被非晶材料基质包围的复合材料。
[0045]另外，散射材料可以包括导致入射光和/或反射光的散射和/或方向偏转的光学兀件如衍射兀件或相位掩模(光学相位光栅)。
[0046]光谱选择面板通常被布置为使得通常为反射层的第一反射部件定位在光谱选择面板的底部并且第一反射部件将透射通过第一面板部的一部分IR光反射。
[0047]另外，光谱选择面板可以包括顶层，在透射通过光谱选择面板的第一面板部之前，光在顶层上入射。顶层通常为多层结构，所述多层结构对于可见光是显著透射的或甚至是抗反射的并且被布置为反射一部分IR光，如由发光材料发射的IR光。顶层例如可以包括氧化物材料如A1203、Si02和Ta205。
[0048]在一个具体实施方案中，光谱选择面板包括至少一个光伏电池，所述光伏电池被定位在光谱选择面板的侧部处或其附近，用于接收IR光和其它光的由光谱选择面板导向该侧部的部分。例如，所述至少一个光伏电池可以为具有适于吸收IR波长范围内的光的相对较小带隙的Ge基或GaAs基、或CIGS (铜铟镓硒)或CIS (铜铟硒)光伏电池。另外，所述至少一个光伏电池可以包括具有多个带隙的光伏电池组。
[0049]本发明在第八方面提供了一种设计光谱选择面板的方法，所述方法包括如下步骤:
[0050]计算层的堆叠体的特性，使得具有层的堆叠体的层状结构被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光反射而对于波长在可见波长段内的至少大部分光是显著透射的，以及
[0051]在面板部处或在面板部上形成层状结构，所述层状结构对于波长在可见波长范围内的光是至少部分透射的。
[0052]所述方法通常被进行为使得根据本发明的第一方面至第七方面中的任一方面形成光谱选择部件。
[0053]根据本发明的具体实施方案的以下描述，将更充分地理解本发明。参照附图来提供描述。
【专利附图】

【附图说明】
[0054]图1为根据本发明的具体实施方案的光谱选择面板的图示；
[0055]图2为根据本发明的又一具体实施方案的光谱选择面板的图示；
[0056]图3和图4示出使用根据本发明的具体实施方案的部件进行测量的结果；
[0057]图5示出与根据本发明的具体实施方案的光谱选择面板相关的所计算的光谱功率密度；以及
[0058]图6示出根据本发明的具体实施方案的光谱选择面板的所计算的透射光谱；
[0059]图7为根据本发明的另一具体实施方案的光谱选择面板的图示；以及
[0060]图8示出根据本发明的具体实施方案的光谱选择面板的所计算的透射光谱。
【具体实施方式】
[0061]首先参照图1，现在描述光谱选择面板100。光谱选择面板100可以例如被设置为建筑物、汽车、船或任何其它适当对象的窗玻璃的形式。光谱选择面板减少了波长在IR波长段内的光的透射而对于可见光在很大程度上是透射的。在一个实施方案中，光谱选择面板100被布置为使IR光转向，并使用转向后的IR光来生成电能。
[0062]在本实施方案中，光谱选择面板100包括玻璃面板102和104。玻璃面板102和104由透明玻璃间隔物106间隔开。玻璃面板102和104的内表面涂覆有涂层108。玻璃面板102和104的外表面分别涂覆有多层涂层112和110。在光谱选择面板100的侧部处定位有太阳能电池114。
[0063]另外，多层涂层110对于可见光是抗反射的而对于入射UV光是反射的。因此从光谱选择面板100的顶部入射的IR光和UV光中的一部分通过玻璃面板102和104透射并且然后被多层涂层110反射。玻璃面板102和104被布置为使得:基于反射角，被反射光的一部分被沿着玻璃面板102和104导向太阳能电池114，在太阳能电池114处IR光可以被吸收用于生成电能。
[0064]在本实施方案中，涂层108包括具有相对较宽能带隙的纳米大小的或微米大小的的稀土氧化物颗粒，以使得适当光的散射是有效无损耗的(无吸收的)。因此，层108用作散射层。另外，层108可以包括将玻璃面板102和104耦接至间隔物106的环氧树脂。
[0065]层108还包括发光材料和被掺杂以具有上述功能的上述稀土氧化物。例如，如果光从光谱选择面板的横向方向入射，并且然后被发光材料吸收，则以随机方向发射随后所发射的发光辐射。这导致了被较少横向定向的辐射，并且因而将以如下方向发射所发射的光福射的大部分:所述方向使得玻璃面板102和104将使发光福射导向太阳能电池114以用于生成电能。
[0066]玻璃面板102和104还可以掺杂有发光材料，所述发光材料吸收进入的IR光和UV光的一部分并以随机方向发射发光福射。
[0067]另外，层108被布置为使得IR光主要被散射，将在下面进一步对其进行详细描述。IR光的、被层110以横向方向反射的部分被层108散射，使得通过多次散射和/或内部反射将相应的光强度导向太阳能电池114。因此，层108的散射特性有助于减少IR辐射的通过量并且改善能量生成的效率。
[0068](光学)顶部涂层112在UV和可见波长范围内具有抗反射特性并且用作IR反射器。在另一实施方案中，顶部涂层112被布置为对于UV辐射是高反射的同时对于可见光是抗反射的，并且可选地还在发光材料发射光的IR波长(子)段内是高反射的。在该实例中，UV段中的抗反射特性被用于防止发光体被入射的UV辐射不利地影响。该涂层为多层结构，所述多层结构被设计为将主要在发光材料发射光的波长范围内的IR光反射。因此，涂层112在很大程度上防止所生成的发光辐射逃逸而未导向至光伏电池114。在本实施方案中，玻璃面板102和104之间填充有空气。类似于双层玻璃窗户的结构，间隙提供了热隔离、改善的整体结构稳定性、噪音隔离和另外的高折射率对比界面，这导致改善了在玻璃面板内由于全内反射而引起的多次反射的基础上的光捕获可能性。
[0069]将理解，在可替代实施方案中，间隙可以填充有任何其它适当的介质材料。还将理解，在所描述的实施方案的变体中，光谱选择面板100可以包括任意数目的玻璃面板，所述玻璃面板可能会或可能不会在相邻玻璃面板之间限定间隙。另外，玻璃面板可以被替换为适当的其它材料(如包括例如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或聚氯乙烯(PVC)的聚合材料)的面板并且还可以被设置为层叠形式，如安全玻璃。
[0070]在该实例中包括的、设置在层108中的发光材料分别位于玻璃面板102和104的顶面和底面。可替代地，发光材料可以被定位在玻璃面板102和104中的仅一者处，玻璃面板102和104可以掺杂有发光材料或者可以包括发光材料。
[0071]此外，将理解，在可替代实施方案中，光谱选择面板100可能不一定包括光伏电池114，但可能例如包括被布置为用于移除以IR辐射的形式被导向光谱选择面板100的侧部的热能的出口、或散热器等。一些侧部还可以被涂覆包括Al或Ag或者任何适当的介质涂层的高反射材料，所述高反射材料将光导离这样的侧表面并导向面板的另外的侧表面。
[0072]现在参照图2，现在将描述根据本发明的又一实施方案的光谱选择面板200。光谱选择面板200包括玻璃面板202和204。在本实施方案中，玻璃面板被层206间隔开，层206包括其中散布有发光散射粉末和颜料的光学环氧树脂。发光散射粉末包括为组合物且提供发光功能并且还具有散射功能的单一材料。可替代地，发光散射粉末可以为组份材料的混合物，并且每种组份材料可以具有各自的功能。因此，层206组合了将玻璃面板202和204彼此耦接的功能、提供发光材料的功能和用作散射层的功能。光谱选择面板200还包括底部涂层208，所述底部涂层208对于IR辐射是反射的并且在可见波长范围内具有抗反射特性。底部涂层208具有类似于上述涂层110的特性的特性。另外，在该实例中，光谱选择面板200还包括对于可见光和UV光是抗反射的顶部涂层，所述顶部涂层对于近红外辐射的第一部分具有中等和适中的反射率并且对于近红外辐射波长段的第二部分具有高反射率，在近红外辐射波长段的第二部分处，层206的发光材料发射光。类似于图1中所示的光谱选择面板100，光谱选择面板200还可以包括定位在光谱选择面板200的侧部的光伏电池(未示出)。
[0073]另外，光谱选择面板100或200包括被布置为用于对入射IR光和反射IR光进行光谱选择性偏转的衍射光学元件(未示出)。衍射光学元件被操作为反射模式或透射模式闪耀衍射光栅并且被设计为使得大部分的入射太阳IR光被偏转入单个优选衍射级。另外，衍射光学元件被布置为使得能够透射可见光。衍射元件被附接在面板的顶面上，但在所述的实施方案的变体中，还可以位于(或形成在)面板100或200的其他面上例如在两个部件面板之间限定间隙的表面。可以由本领域的技术人员通过调整以下参数来设计衍射元件的光谱特性:基底的折射率；光栅轮廓形状；闪耀角；占空比；光栅周期；相位等级的数目和蚀刻深度。
[0074]现在将进一步详细描述光谱选择面板100和200各自的IR反射层110和208。
[0075]层110和208被设置为多层光学干涉涂层滤光器的形式，所述多层光学干涉涂层滤光器具有超宽带热镜特性并且使用三重堆叠边沿滤光器涂层设计类型。层110和208在UV范围内也是反射的。利用RF溅射技术由A1203、SiO2和Ta2O5形成层110和208。在本实施方案中，这样的涂层的总厚度为4μ m至8 μ m，并且在层的次序内的光学材料的顺序可以基于所选择的设计而变化。退火实验(在具有5°C /min的升温速率的600°C下进行3小时)证明了本涂层的良好的机械稳定性、压力暴露相关稳定性、热暴露相关稳定性和粘附稳定性。相对于常见的化学溶剂类型的作用，层110和208是耐刮擦和耐裂的、耐热性的、非吸湿性以及稳定的。
[0076]对在玻璃上的类型110和208的涂层的性能特性进行测试和建模。结果表明，总集成的太阳IR光功率的、包含在700nm至1700nm的波长范围内并且在光学上透射通过基底-涂层系统的部分仅为约4%。由于涂层110和208具有超宽带特性，所以IR功率反射率对于宽范围的入射角是有效的。
[0077]在本发明的一个实施方案中，涂层类型110和208设置在也具有粘附性涂层的透明膜或柔性透明基底(未示出)上。在本实施方案中，所述膜提供可以施加至对象的有效的(轻便的)IR镜。本领域技术人员将理解，可以使用各种类型的金属薄片和粘附性材料来用于该目的。
[0078]现在将进一步详细描述涂层110。涂层110为多层涂层并且被布置为将在宽IR波长段内的入射IR光反射。在本实施方案中，涂层110还在太阳辐射的、在300nm到410nm之间的大体限制内的宽(可控的宽度)UV段中具有对太阳光的相对较高的反射率(>90%或甚至> 98%)。另外，涂层110在接近约400nm处具有相当陡峭的光谱透射响应斜坡，使得光透射从对于波长刚好在400nm-415nm以下的近零水平(小于5% (sub5%))增加至在近400nm-420nm的相邻紫外光区域内已超过60%至80%的显著光学透射水平。该斜坡的陡峭度被定义为每纳米带宽的透射率(T)变化的百分比。在UV至可见光的透射斜坡定位在400nm附近的情况下，涂层110具有8%T/nm至10%T/nm的UV至可见光的透射斜坡切线。
[0079]涂层110还在包括在380nm至750nm内的可见光谱区域中具有光谱平坦透射特性。可以通过透射辐射段的80%T水平带宽(以nm为单位)与在相同透射段的最大半带宽的全部宽度之比来描述可见透射响应区域的“稳定性”。涂层110通常具有超过0.9的响应稳定性。
[0080]涂层110还被布置为在接近约700nm+/-100nm处具有陡峭光谱透射响应斜坡，以使得透射率从在对于波长在400nm+/-20nm以上但在700nm+/-100nm以下的可见段水平内的水平(通常超过60%至80%)下降至已在接近700nm附近的相邻红光或近IR光区域内的不超过5%至10%的相当小的光透射水平，在700nm附近，发生显著的透射变化。在刚好在波长的可见段以上的波长范围内，发生该透射的损耗是归因于通过涂层-玻璃基底系统增加的光反射率，而不是归因于在上述波长区域内的光吸收的任何增加。
[0081]可以通过每纳米带宽的透射率变化的百分比来表征该光谱透射减少斜坡的陡峭度。涂层110被布置为使得在可见至IR透射响应斜坡通常被定位在光谱的700nm(+/-20nm)或750nm (+/_20nm)附近的情况下，可见光段至近红外太阳光的斜坡切线为约-2.5%T/nm至 _3%T/nm。
[0082]在紧跟着之前所述的可见至IR透射响应斜坡的太阳辐射的太阳IR光谱区域内(在光谱的高波长侧上)，涂层110还具有宽光谱(超过200nm-300nm)的高反射率区域。
[0083]为了量化涂层110的性能，假设入射太阳IR能的、在标准的AMl.5太阳光谱(SP700nm至1700nm)内的一部分以垂直入射透射通过涂覆有涂层110的玻璃。涂层110的性能的计算示出，在总467.85ffatts (瓦)/m2入射中，只有18.69ffatts/m2被透射，为通过玻璃透射的700nm至1700nm之间的总太阳IR热能的仅3.99%。图5示出所计算的光谱功率密度。利用所测量的与AMl.5相关的光谱数据点、涂层响应和辛普森公式来进行能量的数值积分。在所提供的实例中，包含在700nm至1700nm之间的太阳IR能的96%因而从该涂层反射。重要地，这些图假设太阳光垂直入射到玻璃上并且窗口截获处于90度通量角的所有太阳能通量。在现实中，由于竖直的玻璃面板截获较少的能量通量，以及由于在较大入射角处的通常较大的反射率，所以在实际应用中甚至是较少的IR能量将会被透射。由于宽的反射光谱带，以大入射角到达的IR光也被有效地反射。
[0084]下面将总结涂层110的设计。涂层110为包括介质材料层的多重堆叠边沿镜。所述层的三重堆叠中的每个堆叠通常包括多于10个的层。利用适当的软件程序和高性能的针法优化或随机优化，或者遗传算法来将层的特性计算如下:
[0085]s{a I(L/2HL/2)m {b} (L/2HL/2)n{c} (L/2HL/2)p{d} (LMHML)q
[0086]以S标识基底相对于膜序列的位置，并且L、H和M表示相应材料的四分之一波的光学厚度层。相对于基本设计波长，在每组括号中的设计波长根据在“ H ”括号中的在前乘法因子而变化。例如对于500nm的设计波长，在子堆叠{2.0} (HLM) 10中的光学层厚度被计算为对于在“O”括号内的子堆叠(sub-stack)内的所有层为lOOOnm。因此，每个层“H”的物理厚度为lOOOnm/ (4*n (H))。
[0087]优化算法的目的是针对任意给定应用使子堆叠重复指数m、n、p和q最小化以及使实现所期望的光谱响应形状所需要的总厚度和层数目最小化。另一目的是优化局部(子堆叠的)个体设计波长乘法因子a、b、c和d。如果需要，则任意附加层可以被插入层序列中、子堆叠之间或任意折射率匹配层中，以进一步调节涂层110的所得到的性能和光谱。
[0088]如下提供该设计方法的一个实施方案的实例:
[0089]S {2.11} (L/2HL/2)12{1.64} (L/2HL/2)8 {2.85} (L/2HL/2)8 {14} (LMHM L)1
[0090]使用500nm的(基本)设计波长来用于优化并且所用的材料为Ta205、Al2O3和SiO2。沉积序列(光波长的％的厚度)为61层，在该实例中示出的涂层的总厚度为9.4μ m。图6示出与该实例相关的所计算的透射光谱。
[0091]低波长透射斜坡和高波长透射斜坡两者可以在光谱上偏移，因而可以通过调节设计次序和单个层的厚度来控制斜坡的位置。在该实例中，高透射段被移向绿红区域，以及该实例设计导致相当窄的短波排斥段。[0092]如上所述，顶部涂层112和210被设置为光谱选择发射镜的形式。涂层110和208包括多层(20至25)Al203、Si02和Ta2O5并且利用RF溅射技术来制备。在本实施方案中，层112和210被设计为使得尤其通过反射来防止在光谱选择面板100和200中生成的发光辐射透射通过涂层102和210。这样的涂层的厚度随着设计要求而变化并且在若干μ m的范围内。
[0093]光谱选择面板100和200的显著特征与涂层102、108、110、210、208和与可见光透明发光体相结合(至少部分地)的材料206的IR具体设计相关，其中所述可见光透明发光体利用了材料206和涂层108的IR受激光致发光。
[0094]在图1和图2所示的实施方案中，光谱选择面板100和200分别包括散射层108和206。将理解，在所述的实施方案的变体中，光谱选择面板100和200可以不包括这样的
散射层。
[0095]如上所述，光谱选择面板100和200还可以包括散射层。这些散射层利用RF溅射形成并且包括稀土氧化物。散射层可以被包括或设置在上述层108和206中。这些稀土氧化物层被制备成使得它们具有在IR波长范围内优先散射/漫射的特性并且具有负责在IR波长范围内优先散射的非晶表面涂层(通过烘箱退火工艺形成)。在IR范围内优先散射与如特征粒径和在退火之后在膜表面上得到典型的类似非晶氧化物沉淀的颗粒间隔离物的特性相关。
[0096]散射层108和206将散射功能(如光学无损耗散射)与发光能量转换功能结合。层108和206具有几个IOOnm的厚度并且包括稀土材料(如Yb203、Nd203)的纳米大小的或微米大小的颗粒，所述稀土材料在其电子能级结构内具有宽带隙并且在IR波长范围内还有可见波长范围内能够进行基本上无损耗的光散射。稀土颗粒由光学透明UV固化环氧树脂(如Norland N0A63环氧树脂)连接。另外，发光体(颜料和纳米粉末材料)散布在层108和206的环氧树脂材料内。在一个实例中，IR可激发混合有机-无机发光体以约0.25 (重量)％至I (重量)%左右的浓度分散在环氧树脂中。
[0097]稀土氧化物还可以掺杂有例如被表示为稀土金属离子的稀土发光材料，并且可以例如被设置为Y2O3:Eu、Y2O3 = Er或NaYF4 = Yb的形式。
[0098]图3示出在玻璃上的这样的稀土氧化物层的透射和吸收光谱(强度作为单位为nm的波长的函数)。曲线300示出针对具有约为I μ m厚度的散射层的透射光谱，曲线302示出总反射(镜面反射和漫反射)，曲线304示出相应的光损耗光谱(由吸收和散射的透射损耗以及反射损耗的贡献的总和表示)。该层示出了在覆盖了近IR范围的大部分的IR光谱范围内的优先散射。可见光透明度接近80%。在与折射率接近1.49 (与玻璃匹配)的光学环氧树脂进行接触之后，减少了散射并且改善了透明度。当被适当的光激发时，该稀土氧化物散射层具有发光特性。
[0099]图4示出用于光谱选择面板100和200的透射光谱(透射部分的强度作为以nm为单位的波长的函数)。曲线400示出针对光谱选择面板100类型的面板(具有空气间隙)所测量的透射数据，并且曲线402示出针对光谱选择面板200类型的面板(没有空气间隙)所测量的透射数据。
[0100]值得注意，面板100的空气间隙不会显著影响可见光透射。另外，由于环氧树脂的折射率与玻璃相匹配，所以环氧树脂本身不引起任何显著的透射损耗。[0101]光谱选择面板100的功能可以被总结如下。在多次散射穿过散射层和界面之后，(统计上的)较多的光子将以超过全内反射角的角度传播以用于光线在由空气包围的玻璃面板内传播。考虑到太阳IR光的大部分以大角度入射(通过散射和发光辐射的发射而变得容易)，该IR光的大部分将在光谱选择面板100内被捕获并且将到达面板100的侧部。顶部涂层112被设计成将由发光体发射的光反射而对可见光透明。底部涂层110反射所有角度和波长的IR光的绝大部分。与通过在相对较薄的无吸收的或弱吸收的发光层108内的多次散射的进入光子的角度再分配相结合的这些特性是根据本发明实施方案的光谱选择面板100的独特特征。散射效果也能够通过改善发光体吸收路径长度来增强发光过程。
[0102]现在将参照图7，描述根据本发明的另一实施方案的光谱选择面板700。光谱选择面板700包括上述的面板部202和204以及太阳能选择底部涂层208。在本实施方案中，面板部202和204由空气间隙702间隔开。另外，光谱选择面板700包括低热发射涂层704。涂层704对于可见光具有高透射特性而对于相对较宽的IR波长范围具有相对较高的反射率。图8示出所计算出的涂层704的透射光谱。在本实施方案中，涂层704的光谱在1500nm+/-100nm处具有将高透射范围和低透射范围隔开的相对较陡峭的斜坡。在通常从该斜坡延伸至超过10微米或甚至20微米的波长的非常宽范围的波长中，IR辐射的透射被减少至10%以下或甚至1%_2%以下。
[0103]例如，光谱选择面板700可以形成建筑物中窗口的面板。在该情况下，光谱选择面板700被通常定向为使得涂层208面向建筑物的内部。低(热)发射涂层704使得来自建筑物的外部的可见范围和太阳IR能中的大部分能够透射，这使得能够以上述方式利用涂层208来得到太阳能。同时，低发射涂层704将源自在建筑物的内部的加热器等的大部分IR辐射反射回建筑物的内部，这减少了热能的损耗。涂层208和704两者因此均有助于能量消耗的减少并且减少了所引起的成本。
[0104]在本实施方案中，涂层704包括由Ag和Y2O3构成的11个层，所述层具有被选择为实现如图8所示的光谱特性的厚度。
[0105]本领域的技术人员将理解，涂层704可以可替代地由其他适当的材料形成并且可以具有不同数目的层。另外，将理解，光谱选择部件700可以被可替代地设置为其他形式。例如，光谱选择部件700可以包括上述的顶部涂层210。另外，空气间隙704可以被替换为层206。此外，低发射层704可以被可替代地定位于另一表面如面板204的表面。
[0106]尽管已参考具体实例来描述发明，但本领域的技术人员将理解，本发明可以体现为许多其他形式。
【权利要求】
1.一种光谱选择面板，包括: 第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及 第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为将在从约300nm至约420nm的波长范围内的超过90%的入射辐射进行反射。
2.根据权利要求1所述的光谱选择部件，其中所述第一反射部件被布置为将在从约300nm至约420nm的波长范围内的超过92%的入射辐射进行反射。
3.一种光谱选择面板，包括: 第一面板部，所 述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及 第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为使得在从约380nm至约420nm的波长范围内，透射率从小于10%增加至大于60%。
4.根据权利要求3所述的光谱选择部件，其中所述第一反射部件被布置为使得在从约380nm至约420nm的波长范围内，所述透射率从小于5%增加至大于80%。
5.一种光谱选择面板，包括: 第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及 第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为使得在约400nm至约680nm的波长范围内，超过80%的入射光被透射。
6.根据权利要求5所述的光谱选择部件，其中所述第一反射部件被布置为使得在约400nm至约680nm_750nm的波长范围内，超过90%的入射光被透射。
7.一种光谱选择面板，包括: 第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及 第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为使得在从约600nm至约800nm的波长范围内，透射率从至少60%减少至小于10%。
8.根据权利要求7所述的光谱选择部件，其中所述第一反射部件被布置为使得在从约600nm至约800nm的波长范围内，所述透射率从至少80%减少至小于5%。
9.根据权利要求7或8所述的光谱选择面板，其中所述第一反射部件被布置为使得在从约380nm至约420nm的波长范围内，所述透射率从小于5%_10%增加至大于60%_80%。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光谱选择面板，其中所述第一反射部件被布置为将在约300nm至约410nm的波长范围内的超过90%的入射辐射进行反射。
11.一种光谱选择面板，包括: 第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及 第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件被布置为将在约700nm至约1700nm的波长范围的入射辐射的超过90%的太阳能进行反射。
12.根据权利要求11所述的光谱选择部件，其中所述第一反射部件被布置为将在约700nm至约1700nm的波长范围的入射福射的超过92%的太阳能进行反射。
13.—种光谱选择面板，包括: 第一面板部，所述第一面板部对于具有在可见波长范围内的波长的光是至少部分透射的；以及 第一反射部件，所述第一反射部件被布置为将在红外(IR)波长段内和在紫外(UV)波长段内的入射光进行反射而对于具有在可见波长段内的波长的至少大部分光在很大程度上是透射的，所述第一反射部件仅包括介质材料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，其中所述光谱选择面板被布置为使得与从所述光谱选择面板的横向方向入射的IR光相关联的至少一部分能量被所述第一反射部件反射并且随后沿着所述面板导向所述面板的侧部。
15.根据前述权利要求·中任一项所述的光谱选择面板，其中所述第一反射部件为光学干涉涂层。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，其中所述第一面板部被设置为玻璃面板部的形式。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的光谱选择部件，其中所述第一面板部由聚合物材料形成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，其中所述光谱选择面板包括窗玻璃或被设置为窗玻璃的形式。
19.根据权利要求1至17中任一项所述的光谱选择面板，其中所述光谱选择面板被应用于对象。
20.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，其中所述第一面板部包括耦接在一起的两个或更多个部件面板部。
21.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，包括被布置为吸收具有在IR波长段内的波长的至少一部分入射光和/或反射光并且通过发光性来发射光的发光材料。
22.根据权利要求21所述的光谱选择面板，其中所述发光材料被布置为使得从横向方向入射的或沿横向方向反射的一部分光被所述发光材料吸收，从而导致沿随机方向发射光。
23.根据权利要求21或22所述的光谱选择面板，其中所述发光材料包括被布置为吸收IR光的可见光透明发光体。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的光谱选择面板，其中所述发光材料位于所述第一面板部内，位于所述第一面板部的底侧或顶侧。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的光谱选择面板，其中所述发光材料中的至少一些被集中于所述第一面板部的中心区域附近。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的光谱选择面板，其中所述发光材料在所述第一面板部内或在所述第一面板部上形成层，或者所述发光材料散布在所述第一面板部内。
27.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，还包括被布置为增加入射光的散射的散射材料。
28.根据权利要求27所述的光谱选择面板，其中所述散射材料包括微米大小的颗粒或纳米大小的颗粒并且被设置为膜的形式。
29.根据权利要求27或28所述的光谱选择部件，其中，在使用中，以在IR波长范围和/或可见波长范围内基本上无损耗(无吸收)的方式实现光的散射，以及其中所述散射材料包括稀土氧化物。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的光谱选择部件，包括发光材料，其中所述第一面板部包括部件面板部，以及所述散射材料夹在所述部件面板部中的、以面对面的关系定位的相邻部件面板部之间，以及其中所述散射材料还包括至少一部分所述发光材料，并且所述散射材料用作将所述部件面板部以面对面的关系耦接在一起的粘合剂。
31.根据权利要求19或30中任一项所述的光谱选择部件，所述光谱选择部件在相邻的部件面板部之间具有间隙。
32.根据权利要求27至30中任一项所述的光谱选择面板，其中所述散射材料包括导致入射光和/或反射光的散射或方向偏转的衍射兀件、相位掩模和光学相位光栅中的至少一者。`
33.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，包括顶层，在通过所述光谱选择面板的第一面板部透射之前，光入射在所述顶层上。
34.根据权利要求33所述的光谱选择面板，其中所述顶层为多层结构，所述多层结构对于可见光在很大程度上是透射的，并且所述多层结构被布置为将通过所述发光材料发射的IR光进行反射。
35.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，包括至少一个光伏电池，所述至少一个光伏电池被定位在所述光谱选择面板的侧部处以接收所述IR光的、由所述光谱选择面板导向所述侧部的部分。
36.根据前述权利要求中任一项所述的光谱选择面板，包括第二反射部件，所述第二反射部件被布置为将具有在IR波长范围内的波长的至少一部分辐射进行反射。
37.根据权利要求36所述的光谱选择面板，其中所述第二反射部件被布置为将具有在1500nm至20000nm的范围内的波长的大部分辐射进行反射。
38.根据权利要求36或37所述的光谱选择部件，其中所述第二反射部件被布置为使得具有在1600nm至1000Onm的范围内的波长的至少大部分辐射的透射具有被减少10%的入射辐射的强度。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的光谱选择部件，其中所述第二反射部件被设置为膜的形式，所述膜被附接至或沉积在所述第一面板部上。
40.根据权利要求36至39中任一项所述的光谱选择部件，其中所述第二反射部件被布置为使得与热IR辐射相关联的至少一部分能量被反射，并且使得在IR波长段内的至少一部分入射太阳光透射通过所述第二反射部件，与热IR辐射相关联的至少一部分能量通常是与热IR辐射相关联的大部分能量。
41.根据权利要求36至40中任一项所述的光谱选择部件，其中所述第一反射部件和所述第二反射部件被附接至或沉积在所述第一面板部的相对侧上。
42.根据权利要求36至41中任一项所述的光谱选择部件，其中所述光谱选择部件包括两个或更多个部件面板部并且所述第二反射部件被附接至另一部件面板部而非所述第一反射部件。
43.根据权利要求36至42中任一项所述的光谱选择部件，其中所述光谱选择部件被布置为使得所述第一反射部件面向内部空间而所述第二反射部件位于与所述内部空间和所述第一反射 部件间隔开的位置处。
【文档编号】E06B3/67GK103718068SQ201280032935
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】维克托·罗森贝格, 米哈伊尔·瓦西列夫, 卡迈勒·阿拉梅赫 申请人:特罗皮格拉斯科技有限公司