CN103155170A - 用于太阳能系统的光学元件的涂料 - Google Patents

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Abstract

本专利申请涉及一种向太阳能转化系统的光学元件的表面提供涂层的方法。所述方法包括用包括水和分散在所述水中的二氧化硅纳米粒子的水性涂料组合物接触所述光学元件的表面，以及干燥所述涂料组合物以形成纳米粒子涂层。所述涂料组合物的组合物pH值为5或更高。所述涂料组合物包含水性连续液相；分散在所述水性连续液相中的体积平均粒径为150纳米或更小的二氧化硅纳米粒子；和有机聚合物粘结剂。

Description

用于太阳能系统的光学元件的涂料
技术领域
本发明广义地涉及使用可用于涂布基底的组合物的太阳能系统。
背景技术
已经开发出利用太阳能转化系统的许多系统以将阳光转化为电。通常被称作聚光光伏(CPV)系统的这些系统中的一些依赖于透镜或一个或多个反射镜，它们将阳光引导或聚集到将光直接转化为电的光伏(PV)元件(电池)上。通常被称作聚光光热(CSP)系统的其它系统依赖于将聚集的阳光转化为热，并且接着利用所述热产生电。
通常，可设计系统以用于诸如办公建筑或大型零售店的商业建筑，或作为应用级系统。针对这些不同种类的应用已经开发出多种太阳能系统设计。尽管太阳能系统的设计多种多样，但它们都需要以尽可能低的安装成本来提供电。并且它们全部都包括至少一个太阳光学元件，其必须以特定方式引导或聚集阳光。
许多太阳能系统有利地安装在炎热、干燥的气候环境中，并且具体地说，安装在沙漠中。然而，在沙漠位置中的共同问题是在太阳能系统的光学元件的暴露表面上积聚粉尘，导致降低的光学性能。通常，经过一段时间，随着灰尘积聚，通过太阳能系统产生的电减少，导致相对于初始安装的干净的系统发生5％-40％的损失。因此，需要提供将在存在沙漠粉尘的情况下保持光学性能的太阳光学元件。
已付出了许多努力去开发可施加至基底以提供具有所需性质的有益的保护层的组合物，所述所需性质诸如易于清洁、防沾污和持久性能的一个或多个。针对此类应用所开发的许多组合物依赖于可能存在环境问题和/或涉及复杂的应用工艺的材料(如，挥发性有机溶剂)。此外，与不足的储存期限相关的问题持续困扰着这些组合物的产品开发人员。
因此，对于许多产品，通常在各种属性中进行平衡，这些属性包括理想的性能属性、材料的环境友好性、令人满意的储存期限和相对不熟练的使用者使用的容易程度。
一直需要这样的架藏稳定环境友好的组合物，其可涂布于基底(例如，太阳光学元件)以提供持久的防粉尘积聚的保护，尤其是如果它们可易于被相对不熟练的使用者处理。
发明内容
本专利申请涉及一种向太阳能转化系统的光学元件的表面提供涂层的方法。该方法包括用包括水和分散在水中的二氧化硅纳米粒子的水性涂料组合物接触光学元件的表面，以及干燥涂料组合物以形成纳米粒子涂层。涂料组合物的组合物的pH值为5或更高。涂料组合物包含水性连续液相；分散在水性连续液相中的具有150纳米或更小体积平均粒径的二氧化硅纳米粒子；和有机聚合物粘结剂。
具体实施方式
已经开发出将阳光转化为电的许多系统，也被称作太阳能转化系统。一些CPV系统依赖于透镜或一个或多个反射镜，它们将阳光引导或聚集到将光直接转化为电的光伏(PV)元件上。CSP系统依赖于将聚集的阳光转化为热，以及随后利用热产生电。所有这些系统必须与更传统的电的来源(诸如燃煤厂产生的电)竞争，并且因此存在对降低成本和/或提高太阳能系统的效率的方式的连续和不断的需求，导致利用这些系统以更低的成本产生电。
通常，可设计系统以用于诸如办公建筑或大型零售店的商业建筑，或作为应用级系统。针对这些不同种类的应用已经开发出多种太阳能系统设计。还已经开发出从单个设施产生热(例如热水)和电二者的系统。
尽管太阳能系统的设计多种多样，但它们都需要以尽可能低的安装成本来提供电。所有的太阳能转化系统都包括至少一个太阳光学元件，其引导或聚集阳光。例如，光学元件包括玻璃反射镜、聚合物反射镜、光学膜和透镜(包括菲涅耳透镜)。玻璃反射镜可包括一层玻璃和一层金属。聚合物反射镜可包括一个或多个膜，所述膜包括一个或多个有机层并且可以可选地包括一层金属。例如，反射镜可包括在一个表面上包括一层银的PMMA膜。针对另一实例，反射镜可包括光学层层叠件。在另一实例中，光学层层叠件可与一层金属结合，如例如WO2010/078105中所述。一个具体的实例包括以商品名“MIRO-SUN反射产品”出售的由德国的阿拉诺德太阳能有限责任公司(Alanod-Solar GmbH&Co.)制造的那些。
通常，CPV太阳能转化系统将包括多个反射镜或透镜，它们将阳光引导或聚集到结合以形成较大单元的多个PV电池上。所述光学元件通过提供一装置以将阳光递送到面积较小的光伏电池而起到帮助作用。可布置反射镜以将阳光反射到光伏电池的表面上，通常在至少为光伏电池表面面积的两倍大的面积上提供捕集阳光的装置。作为另外一种选择，线性或圆盘状菲涅耳透镜可在比PV电池的面积大得多的面积(例如至少十倍大)上捕集阳光，并将该光聚焦到PV电池表面上。
太阳能转化系统的另一实例是CSP系统，其中大反射镜将阳光聚集到用于驱动蒸汽轮机以产生电的热传送流体上。这种系统还可提供储存热流体的热能储存装置，这是有利的，是因为当太阳不对所述系统起作用时，例如在夜晚时，可使用热流体。典型的系统设计包括诸如凹面反射镜、抛物槽式反射镜和一个或多个平面反射镜的光学元件，以在大面积上捕集阳光并将其至少十倍地聚集到将阳光转化为热的装置上。
可在CVP系统中并且尤其在CSP系统中使用具有高镜面反射率或总半球向反射率的反射镜。透镜和反射镜可具有额外的光学特性，例如透射、吸收或反射某些范围的波长的光的能力。优选的是，可提供结合若干光学特性的太阳光学元件，例如太阳光学膜元件，其至少反射与PV电池的吸收带宽对应的整个波长范围的绝大部分平均光，并且不反射在PV电池的吸收带宽以外的绝大部分光。在US2009283133和US2009283144中描述了合适的太阳光学膜元件的实例。
由于纬度和气候条件(例如，云量非常少的地方的气候)的组合，许多太阳能设施布置在太阳辐照度高的位置。另外，位于炎热气候中的大型商业建筑通常在一天中最热的时候对电具有最大需求，以给空调单元供电，并且对电的需求的高峰时间接近太阳辐照度的高峰时间。另外，对于应用级太阳能设施，需要大片的地面。因此，许多太阳能系统有利地安装在炎热、干燥的气候环境中，并且具体地说，安装在沙漠中。
在沙漠位置中的共同问题是在太阳能系统的光学元件的暴露表面上积聚粉尘。空中沙漠粉尘通常基本上包括直径不大于100微米的粒子，并且通常基本上包括直径不大于50微米的粒子。粉尘通常降低光学性能，它们使入射光散射而非使入射光通过太阳光学元件聚集或反射到指定的太阳能转化装置上。随着较少的光被递送到太阳能转化装置上，系统产生的电减少。通常，经过一段时间，随着灰尘积聚，通过太阳能系统产生的电减少，导致相对于初始安装的干净的系统发生5％-40％的损失。随着设备的计划输出增大，由于粉尘导致的损失也不可接受地增大。针对最大的设施，操作员可不得不清洁它们的光学表面，通常通过需要用水的方法来进行清洁。在多数沙漠位置中，水是昂贵且稀有的。因此，需要提供将在存在沙漠粉尘的情况下保持光学性能的太阳光学元件。
涂层可被涂敷到太阳光学元件的许多暴露表面上。在一些实施例中，涂层可被现场涂敷到安装在现有太阳能转化系统中的光学元件上。
一个涂层包括水性连续液相和分散的二氧化硅纳米粒子。就本申请的目的而言，纳米粒子是体积平均粒径小于150nm的粒子。
水性连续液相包括至少5重量％的水；例如，水性连续液相可包含至少50、60、70、80或90重量％的水或更多。尽管水性连续液相优选基本上不含(即含有以水性连续液相的总重量计小于0.1重量％的)有机溶剂，尤其是挥发性有机溶剂，但如果需要，可任选包括少量有机溶剂。如果存在，所用量的有机溶剂应一般为水混溶性的，或至少水溶性的，但这不是必要条件。有机溶剂的例子包括丙酮和低级分子量醚和/或醇，如甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、丙三醇、乙二醇、三甘醇、丙二醇、乙二醇单甲醚或乙二醇单乙醚、二乙二醇甲醚或二乙二醇乙醚或者二丙二醇甲醚或二丙二醇乙醚、乙二醇二甲醚或丙二醇二甲醚，以及三甘醇单甲醚或三甘醇单乙醚或者三丙二醇单甲醚或三丙二醇单乙醚、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇和乙酸甲酯。
二氧化硅纳米粒子是标称球形粒子，或细长粒子，或标称球形二氧化硅纳米粒子和细长二氧化硅纳米粒子的共混物。在其它实施例中，二氧化硅纳米粒子是标称球形粒子链，细长粒子链，或标称球形粒子和细长粒子链。还可存在链和单独的纳米粒子的共混物。
通常，分散的二氧化硅纳米粒子的体积平均粒径为150纳米或更小。例如，二氧化硅粒子的体积平均粒径(即，D50)为60纳米(nm)或更小。在一些实施例中，无孔球形二氧化硅粒子的体积平均粒径在1至60nm的范围内，例如在2至20nm的范围内，并且在特定实施例中在2至10nm的范围内。二氧化硅粒子可具有符合60nm以上的体积平均粒径的任何粒度分布；例如，粒度分布可为单峰、双峰或多峰。
涂料组合物包含有机聚合物粘结剂。例如，涂料组合物可包含聚合物胶乳，例如脂族聚氨酯。又如，涂料组合物可包含丙烯酸和丙烯酰胺或它们的盐的水溶性共聚物。二氧化硅粒子与聚合物粘结剂的重量比通常为至少1∶1，并且在具体例子中其在4∶1至9∶1的范围内。
涂料组合物的pH值为5或更高。在一些实施例中，pH值为7或更高。
水性媒体(溶胶)中的无孔球形二氧化硅粒子在本领域中是熟知的并且是可商业获得的；例如，作为以商品名LUDOX得自美国特拉华州威明顿的杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours and Co.)，以NYACOL得自美国马萨诸塞州爱许兰的尼亚珂公司(Nyacol Co.)，或以NALCO得自美国伊利诺伊州内珀维尔的纳尔科化学公司(NalcoChemical Co.)的水或水性醇溶液中的二氧化硅溶胶。体积平均粒度为5nm，pH为10.5，且标称固含量为15重量％的一种可用的二氧化硅溶胶可作为NALCO2326得自纳尔科化学公司。其他可用的市售二氧化硅溶胶包括可作为NALCO1115和NALCO1130得自纳尔科化学公司、作为REMASOL SP30得自美国纽约州由提卡的雷蒙公司(RemetCorp.)、和作为LUDOX SM得自杜邦公司的那些。
非球形胶态二氧化硅粒子可具有5nm至25nm的均一厚度、40nm至500nm的长度D1(通过动态光散射法测定)和5至30的伸长度D1/D2，其中D2是指通过方程式D2＝2720/S计算出的直径(nm)，且S是指粒子的比表面积(m2/g)，如在美国专利No.5,221,497的说明书中所公开的，该专利以引用方式并入本文。
美国5,221,497公开了用于生产针状二氧化硅纳米粒子的方法，所述方法通过以0.15重量％至1.00重量％(基于CaO、MgO或二者比二氧化硅计)的量向平均粒径为3nm至30nm的活化硅酸或者酸性二氧化硅溶胶的水胶溶液中添加水溶性钙盐、镁盐或者它们的混合物，然后添加碱金属氢氧化物使得SiO2/M2O(M：碱金属原子)的摩尔比变为20至300，并在60℃至300℃下加热所获得的液体0.5至40小时。通过该方法获得的胶态二氧化硅粒子是伸长形的二氧化硅粒子，其在5nm至40nm范围内具有仅在一个平面内延伸的均一厚度的伸长。
也可如Watanabe等人在美国5,597,512中描述地那样制备非球形二氧化硅溶胶。简单地说，该方法包括：(a)将包水性溶性钙盐或镁盐或所述钙盐和所述镁盐混合物的水溶液与包含1至6％(w/w)的SiO2并且pH值2至5、数量为1500至8500ppm(CaO或MgO或CaO和MgO的混合物与活化硅酸的SiO2的重量比)的水胶液相混合；(b)将碱金属氢氧化物或水溶性有机碱或所述碱金属氢氧化物或所述水溶性有机碱的水溶性硅酸盐与步骤(a)中获得的水溶液以SiO2/M2O摩尔比为20至200相混合，其中SiO2代表源自活化硅酸和硅酸盐中二氧化硅含量的总的二氧化硅含量，M代表碱金属原子或有机碱分子；和以及(c)将在步骤中(b)获得的混合物的至少一部分加热至60℃或者更高以获得底溶液(heel solution)，并通过使用步骤(b)中获得的混合物的另一部分或根据步骤(b)分别制备的混合物来制备进料溶液，并且向所述底溶液中添加所述进料溶液，在添加步骤期间同时从混合物中蒸发水，直到SiO2的浓度为6％至30％(w/w)。在步骤(c)中制备的二氧化硅溶胶通常具有8.5至11的pH值。
可用的非球形二氧化硅粒子可从日本东京的日产化学工业株式会社(Nissan Chemical In粉尘ries)以商品名SNOWTEX-UP作为一种水性悬浮液获得。该混合物由20-21％(w/w)的针状二氧化硅、小于0.35％(w/w)的Na2O、和水组成。粒子的直径为约9纳米至15纳米，具有40纳米至300纳米的长度。悬浮液在25℃下具有＜100mPas的粘度、约9至10.5的pH、并且在20℃下具有约1.13的比重。
其他可用的针状二氧化硅粒子可从Nissan Chemical Industries以商品名SNOWTEX-PS-S和SNOWTEX-PS-M作为一种水性悬浮液获得，其具有珍珠串的形态。该混合物由20％至21％(w/w)的二氧化硅、小于0.2％(w/w)的Na2O、和水组成。SNOWTEX-PS-M粒子直径为约18纳米至25纳米，具有80纳米至150纳米的长度。通过动态光散射方法测量的粒度为80至150。该悬浮液在25℃下的粘度＜100mPas，pH值为约9至10.5，在20℃下的比重为约1.13。SNOWTEX-PS-S的粒径为10至15nm，长度为80至120nm。
也可以使用低水性或非水性二氧化硅溶胶(也称为二氧化硅有机溶胶)，其为二氧化硅溶胶分散体，其中液相为有机溶剂或水性有机溶剂。在本发明的实践中，选择二氧化硅溶胶以使其液相与预期涂料组合物相容，并且通常为水性或低水性有机溶剂。通常可按任何顺序稀释和酸化铵稳定的针状二氧化硅粒子。
根据本发明的组合物可任选包含至少一种表面活性剂。本文所用的术语“表面活性剂”描述了在相同分子上具有亲水性(极性)和疏水性(非极性)链段的分子，并且所述分子能够降低组合物的表面张力。可用的表面活性剂的实例包括：阴离子表面活性剂，诸如十二烷基苯磺酸钠、磺基琥珀酸钠的二辛基酯、多乙氧基化烷基(C12)醚硫酸酯、铵盐和脂族硫酸氢盐；阳离子表面活性剂，诸如苯扎氯铵和二牛油二甲基铵氯化物；非离子表面活性剂，例如聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物、月桂醇聚氧乙烯醚(7)、月桂醇聚氧乙烯醚(9)和月桂醇聚氧乙烯醚(18)、脂肪醇聚氧乙烯醚和/或聚醚改性的硅氧烷；其中；和两性表面活性剂，诸如N-椰油-氨基丙酸。也可使用有机硅和含氟化合物表面活性剂(如可以商品名FLUORAD得自3M公司(St.Paul，MN)的那些)。如果存在，则表面活性剂的量通常小于组合物的约0.1重量％，例如在组合物的约0.003重量％至0.05重量％之间。
组合物还可任选含有抗微生物剂。许多抗微生物剂是市售的。实例包括以下可获得的这些：以Kathon CG或LX可得自美国宾夕法尼亚州费城的罗门哈斯公司(Rohm and Haas Co.)；1，3-二羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲；2-苯氧基乙醇；对羟基苯甲酸甲酯；对羟基苯甲酸丙酯；苯扎氯铵；和苯异噻唑啉酮。
根据本发明的组合物可通过任何合适的混合技术制得。一种可用的技术包括将碱性聚合物胶乳与具有适当粒度的碱性球形二氧化硅溶胶合并，然后将pH值调节至最终所需的水平。
在一些实施例中，组合物不含非球形二氧化硅粒子、多孔二氧化硅粒子和添加的交联剂(如，聚氮丙啶或原硅酸酯)。因此，根据本发明的一些组合物可含有少于0.1重量％或小于0.01重量％的非球形二氧化硅粒子，并且如果需要，它们可不含非球形二氧化硅粒子。
通常使用常规涂布技术(诸如刷涂、棒涂、辊涂、揩涂、帘式涂布、轮转凹版涂布、喷涂或浸涂技术)将组合物涂布于光学元件上。一个方法是使用合适的织造或非织造布、海绵或泡沫来涂抹涂料制剂。这类施加材料可为耐酸的，并且其性质可为亲水性的或疏水性的，例如为亲水性的。控制最终厚度和所得外观的另一方法是，利用任何合适的方法涂敷涂层，并且在允许涂料组合物停留在光学元件上一段时间之后，随后用水流冲洗掉多余的组合物，同时基底仍然完全被所述组合物润湿或基本上被所述组合物润湿。例如，可允许涂层停留在光学元件上一段时间(例如，3分钟)，在这段时间内一些溶剂或水蒸发掉，但是蒸发掉的量足够少以至于涂层仍然湿润。当光学元件已经安装在太阳能转化系统中时，可使用诸如喷涂、刷涂、揩涂或允许涂料组合物停留随后被冲洗的方法以将所述组合物涂敷到所述光学元件上。优选地，湿涂层厚度在0.5至300微米的范围内，更优选地为1至250微米。可选地，湿涂层厚度可被选择为针对所需范围的波长优化AR性能。涂料组合物通常含有约0.1和10重量％之间的固体。
最佳平均干燥涂层厚度取决于被涂布的特定组合物，但通常干燥组合物涂层厚度的平均厚度为0.002至5微米，优选为0.005至1微米。
干燥涂层厚度可更大，为几微米或高达100微米厚，这取决于应用，诸如针对更耐用的容易清洁的表面。通常，当涂层厚度增加时，机械性能可预期得到改善。然而，较薄的涂层仍然提供针对粉尘积聚的有效抵抗。
在涂布基底的表面之后，所得制品被加热并且可任选地经受韧化处理(包括在高温下加热)。高温通常为至少300℃，例如至少400℃。在一些实施例中，加热过程将温度升高至等于至少500℃、至少600℃或至少700℃的温度。可选择温度以使来自分散体的聚合物胶乳(例如)通过热降解至少部分地消失。一般来讲，对基底加热的时间高达30分钟、高达20分钟、高达10分钟或高达5分钟。随后，基底表面可急冷，或使用加热和冷却的变化处理以锻炼基底。例如，光学元件可在700℃至750℃范围内的温度下加热约2至5分钟，然后急冷。
优选地，根据本发明的组合物在以液体形式存储时是稳定的，例如，它们不胶凝、不会变得不透明、不形成沉淀的或凝聚的颗粒、或不以其他方式显著劣化。
通过以下非限制性实例，进一步说明了本发明的目的和优点，但这些实例中所述的具体材料及其用量以及其他条件和细节均不应视为对本发明进行不当限定。
实例
不偏离本发明的范围和精神的前提下，对本发明的各种改进和改变对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，本发明不旨在不恰当地限于本文提供的示例性实施例和实例，这些实例和实施例仅以举例的方式提出，而且本发明的范围旨在仅受所附权利要求书的限制。
以下实例中使用这些缩写：％T＝％transmission；nm＝纳米，m＝米，g＝克，min＝分钟，hr＝小时，mL＝毫升，hr＝小时，sec＝秒，L＝升。除另有规定外，在实例中规定的所有的份数、百分比或比率均为按重量计。如果没有另外指定，则化学制品可得自美国密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)。
材料：
纳米粒子
使用的球形二氧化硅纳米粒子分散体可以商品名“NALCO8699”(2-4nm)、“NALCO1115”(4nm)、“NALCO1050”(20nm)和“NALCO2327”(20nm)从美国伊利诺伊州内珀维尔的纳尔科化学公司(Nalco Company(Naperville，IL))商购获得。
树脂
聚氨酯和丙烯酸胶乳分散体可以各自的商品名“NEOREZ R960”和丙烯酸“NEOCRYL A612”胶乳分散体从荷兰瓦尔韦克的帝斯曼利康树脂公司(D SM NeoResins(Waalwijk，Netherlands))商购获得。
基底
PMMA：PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)基底是
Figure BPA00001701345100111
FF(无色)，0.318cm厚，可购自美国新泽西州帕西帕尼的赢创有限公司(Evonik Cyro LLC)。供应的这些基底在两个侧面具有保护性掩模，正好在涂布之前去除所述保护性掩模。例如，PMMA面板用作在CPV系统中使用的菲涅耳透镜面板的朝阳表面。
太阳玻璃：太阳玻璃基底是
Figure BPA00001701345100112
未涂布超透光浮法玻璃，0.318cm厚，由美国宾夕法尼亚州匹兹堡的PPG工业公司(PPGIndustries，Inc.(Pittsburgh，PA.))制造。玻璃面板用作例如在CPV系统中使用的菲涅耳透镜面板的朝阳表面。
“MIRO-SUN”：95％全反射率多层光学涂布铝反射镜，可以商品名“MIRO-SUN”从德国恩讷珀塔尔的阿拉诺德铝精炼有限公司(AlanodAluminum-Veredlung GmbH&Co.KG(Ennepetal，Germany))商购获得。
GM1：玻璃反射镜基底1是UltraMirrorTM，0.318cm厚，由美国缅因州奥本山的加迪安工业公司(Guardian Industries，Auburn Hills MI)制造。
GM2：玻璃反射镜基底2是平边反射镜，以30.4×30.4cm平板(tile)购得，3mm厚，可购自美国北卡罗来纳州夏洛特的家得宝零售奥特莱斯(AuraTMHome Design Item#P1212-NT，Home DécorInnovations)。
“SMF-1100”：聚合物型镀银反射镜膜，可以商品名“SMF-1100”从美国明尼苏达州圣保罗的3M公司商购获得。针对在测试方法0至70镜面反射率中使用，在测试之前，从膜的背面去除衬垫并将其层合到可得自美国乔治亚州亚特兰大的美国道格拉斯金属公司(AmericanDouglas Metals(Atlanta GA))的脂族聚酯涂布的铝片上。供应的“SMF-1100”带有保护性掩模，在涂布之前即刻去除所述保护性掩模。
冷反射镜：利用以商品名“光学透明的层合粘合剂PSA8171”可从美国明尼苏达州圣保罗的3M公司商购获得的光学透明的粘合剂将可见光多层光学膜和近红外线多层光学膜层合在一起以形成反射380-1350nm的光的多层光学膜来制备冷反射镜。以下描述各个可见光和IR反射镜的制备。
可见光反射镜：可见光反射多层光学膜由第一光学层(由可以商品名“EASTAPAK7452”从美国田纳西州金斯波特的伊士曼化学公司(Eastman Chemical(Kingsport，TN))商购获得的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)产生)(PET1)和第二光学层(由可以商品名“PERSPEX CP63”从美国田纳西州孟菲斯的英力士丙烯酸树脂公司(Ineos Acrylics，Inc.(Memphis，TN))商购获得的75重量％的甲基丙烯酸甲酯和25重量％的丙烯酸乙酯的共聚物产生)(coPMMA1)制成。通过多层聚合物熔融歧管将PET1和CoPMMA1共挤出，以形成550个光学层的叠堆。此可见光反射器的层厚度分布(层厚度值)被调节为大致线性轮廓，其中第一(最薄)光学层被调节为对370nm光具有约1/4波长光学厚度(折射率乘物理厚度)并向最厚层发展，所述最厚层被调节对800nm光具有约1/4波长厚的光学厚度。通过结合用显微镜技术获得的层轮廓信息使用美国专利No.6,783,349(Neavin等人)中教导的轴杆设备来调节此类膜的层厚度分布，从而得到改善的光谱特性。
除这些光学层之外，由PVDF(聚偏二氟乙烯，美国明尼苏达州奥克代尔的达尼昂有限公司(Dyneon LLC.(Oakdale，MN))，可以商品名“TINUVIN1577”从瑞士巴塞尔的汽巴特种化学品公司(CibaSpecialty Chemicals(Basel，Switzerland))商购获得)的和含有2重量％的紫外线吸收剂的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，美国宾夕法尼亚州费城的阿科玛公司(Arkema Inc(Phildelphia，PA)))的可混溶的共混物制成的非光学保护性表皮层(每个为260微米厚度)被共挤出到光学层叠件的任一侧上。将该多层共挤出熔融流以每分钟12米浇注到冷铸辊上，产生大约1100微米(43.9密耳)厚的多层浇铸料片。然后可以将多层浇铸料片在95℃下预热约10秒并且以3.3∶1的拉伸比在纵向上单向取向。然后可以将多层浇铸料片在95℃的拉幅烘箱中加热约10秒，随后在横向上单向取向至3.5∶1的拉伸比。将取向的多层膜进一步在225℃下加热10秒以增加PET层的结晶度。用分光光度计(得自美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的珀金埃尔默公司(Perkin-Elmer，Inc.(Waltham，MA))的“LAMBDA950UV/VIS/NIR分光光度计”)测得可见光反射多层光学膜在380至750nm的带宽上具有96.8％的平均反射率。非光学表皮层中的“TINUVIN1577”UVA吸收300nm至380nm的光。
近IR反射镜：用如“可见光反射镜”中描述的第一光学层制备近红外光反射多层光学膜，不同之处如下。此近红外反射器的层厚度分布(层厚度值)被调节为大致线性轮廓，其中第一(最薄)光学层被调节为对750nm光具有约1/4波长光学厚度(折射率乘物理厚度)并向最厚层发展，所述最厚层被调节对1350nm光具有约1/4波长厚的光学厚度。如在“可见光反射镜”下方描述的，除这些光学层之外，非光学表皮层被共挤出，但是针对近IR反射镜来说，该多层共挤出的熔融流以每分钟6米浇注到冷铸辊上，产生大约1800微米(73密耳)厚的多层浇注料片。其余处理步骤与“可见光反射镜”的相同。IR-反射多层光学膜在750-1350nm的带宽上的平均反射率为96.1％。
宽带反射镜：在小于2托的真空下将铝蒸汽涂布到冷反射镜上来制备宽带反射镜。
未酸化的二氧化硅纳米粒子涂层分散体的制备
用去离子水将聚氨酯、“NEOREZ R960”和丙烯酸“NEOCRYLA612”胶乳分散体分别稀释为5或10重量％。用去离子水将“NALCO”二氧化硅纳米粒子分散体“8699”(2nm至4nm，16.5重量％)、“1115”(4nm，16.5重量％)和“1050”(22nm，50重量％)分别稀释为5或10重量％。按照表中所述的比率将稀释的聚氨酯或丙烯酸分散体分别与“8699”(2nm至4nm，16.5重量％)、“1115”(4nm，16.5重量％)或“1050”(22nm，50重量％)混合。所得混合分散体为透明的并且其溶液为碱性，其中pH值为10.5。使用6号迈耶棒涂布所指示的基底以实现在100至2000nm范围内的干燥涂层厚度。将涂布的样品加热至80至120℃5分钟至10分钟以影响干燥。一些基底(如表中所指出的那些)在被涂布之前在美国伊利诺伊州芝加哥的电技术产品公司(Electro Technic Products.Inc.(Chicago.Il.))生产的电晕处理机(型号BD-20)上进行电晕处理。
测试方法：
迈耶棒涂布
在表中指出利用6号迈耶棒涂布基底以提供100至2000nm的干燥涂层厚度。涂布的样品被加热至80或120℃(如表中所指出的那样)5分钟至10分钟以影响干燥。在使用迈耶棒涂布的所有情况下，在涂布基底之前在美国伊利诺伊州芝加哥的电技术产品公司(ElectroTechnic Products.Inc.(Chicago.Il.))生产的电晕处理机(型号BD-20)上进行电晕处理。
涂布方法“3分钟停留，冲洗”(3MDR)
按照被供应的原样使用基底。每个基底被布置在平坦表面上，并且涂布制剂被用吸管涂敷并分散到每个样品的边缘的约3mm的范围内，以制备被完全覆盖的表面(2.99×6.99cm的基底使用约2gm涂布制剂，并且10.16×15.24cm的基底使用约5gm涂布制剂)。允许制剂保持3分钟，随后在温和的去离子水流下冲洗每个样品。然后，允许样品风干至少48小时。
针对透明基底的粉尘处理和“0至70光泽度”测量
将太阳玻璃的样品切割成6.99×6.99cm的块，并通过将锡侧用黑色带材(美国密歇根州伍德黑文的雅马拓国际公司(YamatoInternational Corp.)的200-38雅马拓黑色乙烯基带材)覆盖来进行制备。通过将带材在玻璃上滚动来小心地施加黑色带材，从而没有可见的气泡或缺陷。平行的带材片的接合之处具有一个接缝，并且当在稍后进行光泽度测量时需要小心仔细以避开这个接缝。针对光泽度测量，带材提供粗糙的黑色表面，并且还掩盖样品的这一侧以防止粉尘。随后，涂布太阳玻璃样品的未镀锡的另一侧。针对每个涂布制剂制备三个复制品。
在PMMA基底的样品的两侧上供应有聚合物膜掩模。针对这个测试制备的样品，首先对一个掩模进行标记，这样总是能够涂布PMMA的同一侧。随后PMMA(两侧具有掩模)被切割成6.99×6.99cm的块。去除标记的掩模，并且按照与针对以上太阳玻璃使用方式相同的方式施加黑色带材。随后从样品的另一侧去除未标记的掩模，并且涂敷涂层。针对每个涂布制剂制备三个复制品。
对于这些工序(太阳玻璃和PMMA样品的制备)的后续，测试方法相同。
在干燥(通过涂布方法指定)之后，在三个复制品的每个上，在三个位置以三个角度进行光泽度测量，因此，每个角度具有总共九个测量结果。用可得自美国马里兰州哥伦比亚的BYK-Gardner USA的型号为Micro-TRI-gloss的光泽计进行光泽度测量。将每个角度的九个测量结果取平均，并且在实例中记录平均值和标准偏差。
随后将样品涂布的一侧朝上地布置在塑料容器中。容器正好稍大于样品(每一侧约大6-12mm)。Arizona测试粉尘的一部分，标称尺寸为0至70微米(可得自美国明尼苏达州伯恩斯维尔的粉末技术公司(Powder Technology，Inc.(Burnsville MN)))，大约3克，被布置在样品的顶部，并且将盖子放置在容器上。从一侧至另一侧轻微地水平摇晃样品一分钟，使得Arizona测试粉尘在样品的整个表面上运动。针对每个样品块使用新的粉尘。在摇晃之后，从容器中取出样品，将其布置在竖直位置，在表面上轻敲一次，然后旋转90度并再次敲击，然后再旋转和敲击两次。针对每个制剂，在3个复制的样品的每个上，在三个位置以三个角度再次进行光泽度测量。将每个角度的九个测量结果取平均值，并且将平均值和标准偏差记录在实例中。
针对反射基底的粉尘处理和“0至70镜面反射率”
玻璃反射镜(GM1或GM2，如实例中所指出的那样)或聚合物型反射镜SMF1100(层合到铝上)的样品被切割成10.16×15.24cm的块。随后根据所述涂布方法涂布样品。针对每个涂布制剂制备三个复制品。在干燥(通过涂布方法指定)之后，在三个复制品的每个上，在三个位置进行镜面反射率测量，因此，针对每个制剂具有总共九个测量结果。以15毫弧度孔隙利用型号为15R的便携式镜面反射率计(可得自美国德克萨斯州达拉斯的装置和服务公司(Devices&Services Company)测量镜面反射率。对九个测量结果取平均值，并且在实例中记录平均值和标准偏差。随后将样品涂布的一侧朝上地布置在塑料容器中。容器正好稍大于样品(每一侧约大6-12mm)。Arizona测试粉尘的一部分，标称尺寸为0至70微米(可得自美国明尼苏达州伯恩斯维尔的粉末技术公司)，大约10克，被布置在样品的顶部，并且将盖子放置在容器上。从一侧至另一侧轻微地水平摇晃样品一分钟，使得Arizona测试粉尘在样品的整个表面上运动。针对每个样品块使用新的粉尘。在摇晃之后，从容器中取出样品，将其布置在竖直位置，在表面上轻敲一次，然后旋转90度并再次敲击，然后再旋转和敲击两次。针对每个制剂，在3个复制的样品的每个上，在三个位置再次进行镜面反射率测量。对九个测量结果取平均值，并且在实例中记录平均值和标准偏差。
粉尘处理和波长平均反射测量
使用得自美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的珀金埃尔默公司(Perkin-Elmer，Inc.(Waltham，MA))的“LAMBDA900UV/VIS/NIR分光光度计”在实例中指出的波长范围内以每5nm提供反射测量。在污物测试之前和之后，针对KFLEX、冷反射镜和OLF2301从400nm至1200nm，以及针对“SMF1100”从350至2500nm，提供结果作为纠正的平均反射率。
将约5.1×5.1cm的涂布的样品的涂布的一侧朝上地布置在塑料容器中。容器正好稍大于样品(每一侧约大6至12mm)。Arizona测试粉尘的一部分，标称尺寸为0至600微米(可得自美国明尼苏达州伯恩斯维尔的粉末技术公司(Powder Technology，Inc.(BurnsvilleMN)))，大约18克，被布置在样品的顶部，并且将盖子放置在容器上。从一侧至另一侧轻微地水平摇晃样品一分钟，使得Arizona测试粉尘在样品的整个表面上运动。针对每个样品块使用新的粉尘。在摇晃之后，从容器中取出样品，将其布置在竖直位置，在表面上轻敲一次，然后旋转90度并再次敲击，然后再旋转和敲击两次。
表1
Figure BPA00001701345100181
Figure BPA00001701345100191
注释：NC＝无涂层；NA＝不适用；3MDR＝参见“3分钟停留冲洗”涂布工序；1MDR＝参见“1分钟停留冲洗”涂布工序
表2
Figure BPA00001701345100202
Figure BPA00001701345100211
Figure BPA00001701345100221
Figure BPA00001701345100231
注释：NC＝无涂层；NA＝不适用；在涂布之前对表2中的所有基底进行电晕处理，然后用6号迈耶棒进行涂布；对于针对特定基底在“波长平均反射”中取平均的波长，见“波长平均反射测量”。
本文所提及的所有专利和出版物据此全文以引用方式并入本文。在不脱离本发明的范围和精神的条件下，本领域的技术人员可对本发明进行各种修改和更改，并且应当理解，本发明不应不当地受限于本文所述的示例性实施例。

Claims (19)

1.一种向太阳能转化系统的光学元件的表面提供涂层的方法，包括：
a)用包括水和分散在所述水中的二氧化硅纳米粒子的水性涂料组合物涂布所述光学元件的表面；
b)使所述涂料组合物干燥以形成纳米粒子涂层，
其中所述涂料组合物的组合物pH值为5或更高并且包含水性连续液相；
分散在水性连续液相中的具有150纳米或更小体积平均粒径的二氧化硅纳米粒子；和
有机聚合物粘结剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米粒子不含有聚合物芯。
3.根据权利要求1至2所述的方法，其中所述涂层在干燥之前被冲洗。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其中所述涂料组合物在环境空气中干燥。
5.根据权利要求1至3所述的方法，其中所述涂料组合物在干燥的过程中被加热。
6.根据权利要求1至4所述的方法，其中在所述光学元件被涂布所述涂料组合物之前将所述光学元件置于所述太阳能转化系统中。
7.根据权利要求1至5所述的方法，其中在所述光学元件被涂布所述涂料组合物之后将所述光学元件置于所述太阳能转化系统中。
8.根据权利要求1至7所述的方法，其中所述纳米粒子是球形的。
9.根据权利要求1至7所述的方法，其中所述纳米粒子是细长的。
10.根据权利要求1至9所述的方法，包括将所述涂布的基底加热至至少300℃。
11.根据权利要求1至10所述的方法，其中所述有机聚合物粘结剂为有机聚合物胶乳。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述有机聚合物胶乳为脂族聚氨酯粒子。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机聚合物粘结剂为水溶性聚合物。
14.一种太阳能转化系统，包括：
光伏电池阵列；和
相对于所述模块布置的光学元件，
其中所述光学元件涂布有纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由所述组合物pH值为5或更高的所述涂料组合物形成并且包含
水性连续液相；
分散在所述水性连续液相中的体积平均粒径为150纳米或更小的二氧化硅纳米粒子；和
有机聚合物粘结剂。
15.一种太阳能转化系统，包括：
至少一个光热转化器；和
相对于所述光热转化器布置的光学元件，
其中所述光学元件涂布有纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由所述组合物pH值为5或更高的所述涂料组合物形成并且包含
水性连续液相；
分散在所述水性连续液相中的体积平均粒径为150纳米或更小的二氧化硅纳米粒子；和
有机聚合物粘结剂。
16.根据权利要求14或15所述的太阳能转化系统，其中所述光学元件是透镜。
17.根据权利要求14或15所述的太阳能转化系统，其中所述光学元件是反射镜。
18.根据权利要求17所述的太阳能转化系统，其中所述反射镜包括聚合物层、玻璃层、金属层和聚合物型光学层叠件的至少一个。
19.根据权利要求18所述的太阳能转化系统，其中所述光学元件至少反射与PV电池的所述吸收带宽对应的第一范围的波长的绝大部分的平均光，并透射所述第一范围的波长之外的绝大部分的所述光。
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