CN105143932A - 能量产生透明结构和利用入射到能量产生透明结构的光来产生能量的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种能量产生透明(EGT)结构以及一种利用入射到EGT结构的光来产生能量的方法。所述EGT结构由具有与反射结构相邻的内表面的窗玻璃构成。所述方法接受入射到窗玻璃的外表面的光，并且将可见光谱的光透射通过窗玻璃和反射结构。然而，将近红外(NIR)光谱的光从反射结构反射回窗玻璃中，以便将反射的NIR光谱的光供应至窗玻璃的边缘。例如，如果所述光的角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生TIR的角度，则将反射的NIR光谱的光供应至窗玻璃边缘。可以将反射的NIR光谱的光转换为电能或热能。

Description

能量产生透明结构和利用入射到能量产生透明结构的光来产生能量的方法
技术领域
本发明通常涉及能量有效的透明结构，并且更具体地涉及一种太阳能膜层，能够在为了产生能量的目的而选择性地反射光的同时基于波长或入射角度的准则来选择性地透射光。
背景技术
商用和住宅建筑物的窗户代表了用于能量产生的实质机会，但是窗户的透明度是关键。因此，需要一种方法来低成本地捕获太阳辐射，而无需妥协窗户的透明度。由于建筑物窗户的较大表面积，窗户可以用于捕获太阳能。如果保持透明度并且附加成本较低，这种思想是有吸引力的。作为由建筑物集成光电(BIPV)所展示的新的机会的一部分，建筑物窗户可以用于产生清洁的替代能源。
BIPV的新兴市场提供了新的机会，来为近年来受压的建筑物和太阳能工业两者开发收入流。集成光伏相比于传统非集成系统的优势在于可以通过减小建筑物材料和通常用于建造由BIPV模块代替的那部分建筑物的工作所花费成本来弥补初始成本，例如屋顶、天窗、建筑物立面或者窗户。根据近来的市场报告，BIPV的全球市场以56％的混合年增长率在2015年预期达到11392兆瓦的容量。对于能量有效、柔性和透明太阳能材料的逐渐增长的需求正在转变建筑师和制造商使用光伏系统的方式。
与BIPV机会同时发生的是可能代替现有建筑物窗户的智能窗户技术。根据美国能源部的消息，家庭和商用建筑消耗美国使用的电力的约40％，使消费者每年花费约2000亿美元。用于减小个人和商用建筑的能耗的一种方案是智能窗户技术，所述智能窗户技术通过更改窗户的透明度以拒绝可见光和近红外(NIR)光的一部分来减小进入建筑物的太阳能热的量。通过由于减小加热、通风、空调(HVACO)系统的成本而实现的节能来弥补智能窗户安装的投资。然而，目前所有的智能窗户技术要求电源来激活窗户的着色零件。通过施加电源电压，可以动态地改变窗户的光透射率、透明度或遮蔽。这种零件显著地增加了智能窗户的安装成本，因为需要将电线从所有的窗户连接至主控制器。
如果智能窗户可以用太阳能自我供电并且无需任何电线进行控制将是有利的，减小了总的工作成本以及智能窗户的安装系统价格。
发明内容
本发明的一个实施例公开了一种能量产生透明(EGT)结构，包括：窗玻璃，具有内表面、外表面和边缘，所述窗玻璃对于入射到所述外表面的光的可见光波长和近红外(NIR)波长的光透明；反射结构，与所述窗玻璃内表面相邻，对于可见波长的光透明，并且反射NIR波长的光；其中所述窗玻璃将从所述反射结构反射回的NIR波长的光内部地导引向所述窗玻璃的边缘。
本发明的一个实施例公开了一种能量产生透明(EGT)结构，包括：窗玻璃，具有内表面、外表面和边缘，所述窗玻璃对于入射到所述外表面的光透明；反射结构，与所述窗玻璃内表面相邻，对于以小于第一角度的角度入射到窗玻璃外表面的光透明，并且反射以大于或等于所述第一角度的角度入射到窗玻璃外表面的光；其中所述窗玻璃将从所述反射结构反射回的光内部地导引向所述窗玻璃的边缘，并且相对于与所述窗玻璃外表面垂直的方向来测量所述第一角度。
本发明的一个实施例公开了一种利用入射到能量产生透明(EGT)结构的光来产生能量的方法，所述方法包括：提供包括窗玻璃的EGT结构，所述窗玻璃具有与反射结构相邻的内表面；接受入射到所述窗玻璃的外表面的光；将可见光谱的光透射通过所述窗玻璃和反射结构；将近红外(NIR)光谱的光从所述反射结构反射回所述窗玻璃中；以及将反射的NIR光谱的光供应至所述窗玻璃的边缘。
本发明的一个实施例公开了一种利用入射到能量产生透明(EGT)结构的光来产生能量的方法，所述方法包括：提供包括窗玻璃的EGT结构，所述窗玻璃具有与反射结构相邻的内表面；接受以多个角度入射到所述窗玻璃的外表面的光；将以小于或等于第一角度的角度入射到所述窗玻璃外表面的光透射通过所述窗玻璃和反射结构，其中相对于与所述窗玻璃外表面垂直的方向来测量所述第一角度；将以大于所述第一角度的角度入射到所述窗玻璃外表面的光从所述反射结构反射回所述窗玻璃中；以及将反射的光供应至所述窗玻璃的边缘。
为了更加容易地理解本发明，现在将参考附图描述本发明的特定实施例。
附图说明
[图1]图1是能量产生透明(EGT)结构的部分截面图。
[图2]图2是更加详细的图1的反射结构的部分截面图。
[图3]图3是EGT结构的第一变体的部分截面图。
[图4]图4是更加详细的图3的反射结构的部分截面图。
[图5]图5是EGT结构的第二变体的部分截面图。
[图6]图6是包括窗户玻璃和附着至所述窗户玻璃内侧的反射结构在内的示范性EGT结构的平面图。
[图7]图7是描述了图1和图2的EGT结构的部分截面图。
[图8]图8是示范性带通层非平面结构的部分截面图。
[图9A]图9A是图3和图4的EGT结构的部分截面图。
[图9B]图9B是图3和图4的EGT结构的部分截面图。
[图10]图10是示出了从入射到EGT结构的光产生能量的方法的流程图。
[图11]图11是示出了从入射到EGT结构的光产生能量的方法的变体的流程图。
具体实施方式
图1是能量产生透明(EGT)结构的部分截面图。EGT结构100包括窗玻璃102，具有内表面104、外表面106和边缘108。窗玻璃对于入射到所述外表面106的光的可见光和近红外(NIR)波长的光透明。窗玻璃102可以由传统材料制成，例如玻璃、硅石或塑料，并且不局限于任意具体类型的材料。如这里所使用的，“透明”应该理解为在特定波长下光的透射率大于80％，尽管EGT结构100不必局限于任意具体百分比的透射率。如这里所使用的，可见波长的光大约在400至700纳米(nm)的范围，尽管较高或较低波长值的定义可以依赖于单独的感知度和可见度而改变。如这里所使用的，NIR指的是范围从约700nm至3微米的波长。
反射结构110与所述窗玻璃内表面104相邻。反射结构110对于可见波长的光透明，并且反射NIR波长的光。所述窗玻璃102将从所述反射结构110反射回的NIR波长的光内部地导引向所述窗玻璃的边缘108。尽管可以规定窗玻璃用作反射的NIR波长的光的光波导，应该理解的是，不必在窗玻璃内表面104和外表面106之间将所有反射的NIR波长的光内部地导引通过窗玻璃102至边缘108。如这里所使用的，“反射”理解为在特定波长处大于50％的光反射，尽管EGT结构100不必局限于任意具体百分比的反射。
图2是更加详细的图1的反射结构的部分截面图。反射结构110包括顶部膜层200，下覆于窗玻璃内表面104并且对于可见光和NIR波长的光透明。下覆于顶部膜层200的带通层非平面结构202对于可见波长的光透明，并且反射NIR波长的光。下覆于带通层非平面结构202的底部膜层204对于可见光和NIR波长的光透明。在2013年4月29日递交的申请号13/872，473，由AkiHashimura等人发明的题为“Energy-efficienttransparentsolarfilm”的母案申请中已经提出了选择性的光波长发射和吸收材料的清楚示例，将其合并在此作为参考。然而，带通层非平面结构不必只局限于这些材料，因为也可以使用其他的(未命名的)材料。
(来自2013年4月29日递交的申请号13/872,473的由AkiHashimura等人发明的“Energy-efficienttransparentsolarfilm”的描述)
一种能量有效的透明太阳能膜，包括：包括金属纳米结构在内的第一膜层，所述金属纳米结构在从包括大于可见光波长的波长以及小于和等于可见光波长的波长组成的第一组中选择的波段内具有等离子谐振(Plasmonresonance)，并且所述金属纳米结构在可见光波长中不具有等离子体谐振；其中所述第一膜层在可见光波长中比在第二组波长内更加有效地透射入射光。
所述太阳能膜中，所述金属纳米结构形态是从由棒、椭圆体以及棒和椭圆体的组合组成的组中选择的，在紫外(UVA)波段和近红外(NIR)波段具有等离子体谐振。
所述太阳能膜中，所述金属纳米结构具有200纳米(nm)的最大横截面尺寸和5nm的最小横截面尺寸。
所述太阳能膜中，所述金属纳米结构具有长轴和短轴，轴之间的长宽比在约4至15的第一范围内。
所述太阳能膜中，所述金属纳米结构包括在所述第一范围内呈高斯分布的长宽比，其中具有随机长轴朝向。
所述太阳能膜中，所述金属纳米结构具有三角形板状形态，所述三角形板状形态在NIR的波段中具有等离子体谐振。
所述太阳能膜中，所述三角形板状金属纳米结构具有范围在约50nm和250nm之间的边长和范围在约10nm至50nm之间的厚度。
所述太阳能膜中，每一个金属纳米结构包括：金属核；以及围绕所述金属核的壳，所述壳由包括以下材料的组中选择的材料制成：硅石、金属氧化物和半导体氧化物。
所述太阳能膜中，所述金属纳米结构是从包括以下材料的组中选择的材料：银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、氮化钛(TiN)、氧化铟(ITO)、铝掺杂氧化锌(AZO)和镓掺杂氧化锌(GZO)。
所述太阳能膜还包括按照从第二组中选择的结构形成的金属氧化物纳米晶体，所述第二组包括在所述第一膜层中和所述第二膜层中包括的以下内容：在小于可见光波长的波段内具有第一吸收并且在大于可见光波长的波段具有第二吸收的金属氧化物纳米晶体，其中第一吸收和第二吸收大于在可见光波段内的任意吸收，并且其中所述太阳能膜在可见光波长中比在小于可见光波长和大于可见光波长的波长中更加有效地透射入射光。
所述太阳能膜中，所述金属氧化物纳米晶体从包括以下材料的组中选择：氧化铟锡、氧化锑锡、氧化铟锌、GZO和AZO。
所述太阳能膜中，每一个金属氧化物纳米晶体包括：金属氧化物核；以及围绕所述金属氧化物核的壳，所述壳由包括以下材料的组中选择的材料制成：氧化钛和氧化锡。
所述太阳能膜中，所述金属氧化物纳米晶体的第一吸收发生在UV波长波段，并且第二吸收发生在大于1.5微米的IR波长波段。
一种制造太阳能膜光学吸收材料的方法，所述方法包括：准备前体混合物，所述前体混合物包括锌、铝以及从由油胺(Oleylamine)和具有高沸点的单醇(monoalcohol)组成的组中选择的材料；以及提纯所述前体；形成铝掺杂氧化锌(AZO)纳米晶体；以及向所述AZO纳米晶体配置在可见光波长处透明的衬底。
所述方法中，从由1-十六醇、1-十四醇和1-十二醇组成的组中选择所述单醇。
所述方法中，向所述AZO纳米晶体配置衬底包括：使用从以下方法组成的组中选择的方法：将所述AZO纳米晶体旋涂、浸渍涂布、刮板涂布、喷涂到所述衬底上；以及将所述AZO纳米晶体嵌入到电介质膜中。
一种能量有效的窗户，包括：具有第一表面和第二表面的第一衬底，对于可见光波长的光透明；金属纳米结构，上覆于所述第一衬底的第一表面，所述金属纳米结构在从由大于可见光波长的波长以及小于和大于可见光波长的波长组成的组中选择的波段具有等离子谐振，所述金属纳米结构在可见光波长不具有等离子体谐振；以及其中所述窗口在可见光波长比在从所述组中选择的波长更加有效地透射入射到所述衬底第二表面上的光。
所述窗口中，所述金属纳米结构形态是从由棒、椭圆体以及棒和椭圆体的组合组成的组中选择的，具有200纳米(nm)的最大横截面尺寸和5nm的最小横截面尺寸，长轴和短轴之间的长宽比在约4至15的第一范围内，并且在紫外(UVA)波段和近红外(NIR)波段具有等离子体谐振。
所述窗口中，所述金属纳米结构具有三角形板状形态，所述三角形板状形态具有范围在约50nm和250nm之间的边长和范围在约10nm至50nm之间的厚度，并且所述三角形板状形态在NIR的波段中具有等离子体谐振。
所述窗口中，每一个金属纳米结构包括：金属核；以及围绕所述金属核的壳，所述壳由包括以下材料的组中选择的材料制成：硅石、金属氧化物和半导体氧化物。
所述窗口中，所述金属纳米结构是从包括以下材料的组中选择的材料：银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、氮化钛(TiN)、氧化铟(ITO)、铝掺杂氧化锌(AZO)和镓掺杂氧化锌(GZO)。
所述窗口还包括按照从第二组中选择的结构形成的金属氧化物纳米晶体，所述第二组包括在所述第一膜层中和上覆所述第一衬底第一表面的第二膜层中包括的以下内容：在小于可见光波长的波段内具有第一吸收并且在大于可见光波长的波段具有第二吸收的金属氧化物纳米晶体，其中第一吸收和第二吸收大于在可见光波段内的任意吸收；其中与可见光波长相比，所述窗口在小于可见光波长和大于可见光波长的波长的波段中更加有效地吸收入射到所述第一衬底第一表面的光。
所述窗口中，所述金属氧化物纳米晶体从包括以下材料的组中选择：氧化铟锡、氧化锑锡、氧化铟锌、GZO和AZO。
所述窗口中，每一个金属氧化物纳米晶体包括：金属氧化物核；以及围绕所述金属氧化物核的壳，所述壳由包括以下材料的组中选择的材料制成：氧化钛和氧化锡。
所述窗口中，所述金属氧化物纳米晶体的第一吸收发生在UV波长波段，并且第二吸收发生在大于1.5微米的IR波长波段。
所述窗口还包括：上覆于所述第一衬底第二表面上的第二衬底，在可见光波长处透明；以及插入在第二衬底和第一衬底第二表面之间的绝缘介质，在可见光波长处透明。
顶部膜层200具有与窗玻璃内表面104相邻的平面表面206以及与带通层非平面结构202共形的非平面表面208。底部膜层204具有平面表面210和与带通层非平面结构202共形的非平面表面212。简要地回顾图1，可以看出窗玻璃外表面106形成于第一面116中，并且平行面222在图2中示出。带通层非平面结构202包括多个表面214。每一个表面214相对于平行面222形成非零角度216。在平面图中(未示出)，可以将带通层非平面结构的表面看作是一系列平行的波或脊。替代地，可以将所述表面整形为锥形(参见图6)、棱锥或者多边棱锥状结构。另外，尽管将角度216示出为是均匀的，替代地所述带通层非平面结构两端的表面角度可以改变。此外，尽管将所述表面示出为都是局部平面的，所述表面替代地可以是均匀或非均匀的凸起或凹入形状。在一个方面中，如相对于与第一平面116或平行平面222垂直(法线)的方向(用虚线示出)所测量的，NIR波长的光按照相对于窗玻璃外表面入射角度114而改变的角度进行反射。所述角度改变是由于带通层非平面结构表面214的非零角度216导致的。
带通层非平面结构202包括与顶部膜层200相邻的第一侧，具有第一形状。第一形状由表面214的形状和角度限定。带通层非平面结构202具有与底部膜层204相邻的第二侧220。在一个方面，第二侧220具有第一形状。另外，如果顶部膜层200和底部膜层204都具有(相同的)第一折射率，那么通过EGT结构透射的可见光波长的光具有与窗玻璃外表面入射角度114相同的角度114，并且通过窗户的景色是清楚且未失真的。在一些方面，带通层非平面结构也能够吸收特定的波段。
回到图1，窗玻璃102具有第二折射率，并且在NIR波长光的大于或等于第二角度118的角度下具有全内反射(TIR)。TIR响应于第二折射率和等于1的折射率，假设窗玻璃外表面106与空气介质相邻。否则，TIR将对于第二折射率和与窗玻璃外表面106相邻的介质的折射率做出响应。按照这种方式，窗玻璃102经由对于窗玻璃边缘108的内反射来导引以大于或等于第二角度118的角度入射到窗玻璃波导外表面106的、从带通层非平面结构(202，参见图2)反射的NIR波长的光。
在一个方面，如所示的，EGT结构100还包括：能量转换装置120，具有光学界面122以接受由反射结构110反射的NIR波长的光；以及能量界面124，用于供应响应于NIR波长的光而产生的能量形式。例如，能量转换装置120可以是供应电流的光伏(PV)装置或者供应热能的NIR波长光吸收体。如这里所使用的，“吸收”指的是光没有散射或透射。光被材料吸收，然后变成其他形式的能量，典型地变成热。EGT结构100不局限于任意具体类型或位置的能量转换装置。如所示的，能量转换装置的光学界面122与窗玻璃边缘108相邻并且与第一面116垂直，以接受通过窗玻璃102导引的NIR波长的光。下面展示了能量转换装置的其他结构。
图3是EGT结构的第一变体的部分截面图。在这一方面，EGT结构路300包括窗玻璃102，具有内表面104、外表面106和边缘108。窗玻璃102对于入射到所述外表面106的光透明。反射结构302与所述窗玻璃内表面104相邻。反射结构302对于以小于第一角度304的角度入射到窗玻璃外表面106的光透明，并且对于以大于或等于第一角度的角度入射到窗玻璃外表面106的光是反射的。相对于与窗玻璃外表面106垂直的(法向的)方向306来测量第一角度304。窗玻璃102将从所述反射结构302反射回的光内部地导引向所述窗玻璃的边缘108。注意在这一方面，反射结构302不必选择性地反射具体波长波段的光。
图4是更加详细的图3的反射结构的部分截面图。在EGT结构300的这一方面，反射结构302包括下覆于窗玻璃内表面104的顶部膜层400。顶部膜层400对于光透明并且具有第一折射率。下覆于顶部膜层400的电介质层402对于光透明并且具有比第一折射率小的第二折射率。下覆于电介质层的底部膜层404对于光透明并且具有与顶部膜层400相同的第一折射率。
在一个方面，电介质层402具有：非平面第一侧406，形成为具有第一形状，与顶部膜层400相邻；以及非平面第二侧408，形成为具有第一形状，与底部膜层404相邻。顶部膜层400具有与窗玻璃内表面104相邻的平面表面410以及与电介质层第一侧406相邻的具有第一形状的非平面表面412。底部膜层404具有平面表面414以及与电介质层第二侧408相邻的具有第一形状的非平面表面416。因为顶部膜层400和底部膜层404都具有(相同的)第一折射率，并且电介质层第一侧406和第二侧408具有相同的形状，透射通过EGT结构(例如角度305，参见图3)的光具有与窗玻璃外表面入射角度相同的角度。只要窗玻璃外波凹面入射角度小于第一角度(304，参见图3)，通过窗户的景色是清楚且未失真的。在一些方面，电介质层402对于具体的波段波长的光选择性地反射或者吸收。
简单地回到图3，窗玻璃外表面106形成于第一平面308中，并且在图4中示出了平行平面422。电介质层第一侧406和第二侧408每一个均包括多个表面418。每一个表面418相对于所述平行平面422形成非零角度420。在平面图中(未示出)，表面418可以实现为一系列的平行波或脊。替代地，可以将所述表面整形为锥形、棱锥或者多边棱锥状结构。另外，尽管将角度420示出为是均匀的，替代地所述电介质层第一侧和第二侧两端的表面418的角度可以改变。此外，尽管将所述表面428示出为都是局部平面的，所述表面替代地可以是均匀或非均匀的凸起或凹入形状。顶部膜层非平面表面412对于第一折射率和第二折射率做出响应，在相对于与非平面表面412法线(垂直)方向所测量的第二角度424具有TIR。
回到图3，窗玻璃102具有第三折射率，并且在大于或等于相对于窗玻璃外表面106的法向测量的第三角度310的角度下具有TIR。窗玻璃TIR对于第三折射率和1的折射率做出响应，假设窗玻璃外表面106与空气介质相邻。另外，TIR对于第二折射率和与窗玻璃外表面106相邻的介质的折射率做出响应。按照这种方式，窗玻璃102经由对于窗玻璃边缘108的内反射，来导引以大于或等于第三角度310的角度入射到窗玻璃波导外表面106的、从顶部膜层非平面表面(412，参见图4)反射的NIR波长的光。
在一个方面，如所示的，EGT结构300还包括：能量转换装置120，具有光学界面122，用于接受由反射结构302反射的光；以及能量界面124，用于供应响应于接受的光而产生的能量形式。例如，能量转换装置120可以是供应电流的光伏(PV)装置或者供应热能的光吸收体。EGT结构300不局限于任意具体类型或位置的能量转换装置。如所示的，能量转换装置的光学界面122与窗玻璃边缘108相邻并且与第一面308垂直，以接受通过窗玻璃102导引的光。下面展示了能量转换装置的其他结构。
图5是EGT结构的第二变体的部分截面图。所述EGT结构可以用作不同应用的电源，例如智能窗户和便携电子设备。自我供电的智能窗户或EGT结构包括三个主要部分。第一部分是窗玻璃102，所述窗玻璃面对阳光入射的外表面。依赖于天气情况，太阳光可以是直射光或者散射光。第二部分是反射结构110或者302，所述反射结构(例如，经由粘合层502)附着于玻璃的内表面。反射结构可以包括光学透明膜，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、石蜡共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯、硅酮或者任意其他透明材料具有将入射光反射回透明膜和玻璃的嵌入式结构。导引至膜和玻璃的侧面的反射光被光捕获结构或光学界面122捕获，并且通过附着至玻璃背面边缘的PV电池120的条带转换为电流，如所示的。这里，光学界面122形成于反射结构110/302的边缘上、而不是形成于窗玻璃102的边缘上。替代地，PV电池120也可以附着至玻璃和透明膜(未示出)的侧面外围。在一个示例中，反射结构可以是锥形结构的阵列，最优地设计所述锥形结构以减小由可见光的散射产生的模糊。另外，自我供电的窗户可以包括附着至所述EGT结构的颜色可调膜500。所述颜色可调膜500可以是通过向所述膜施加电力来动态地更改可见的颜色的任意膜。例如，颜色可调膜500可以是使用从PV电池120产生的电力的电致变色层。衍射可调膜500也可以改变IR太阳能热的透过率，使得所述智能窗户可以用作遮光帘和能量有效窗户。通常，颜色可调膜可以由许多现有器件技术来制成，例如电致变色、聚合物散布的液晶或者悬置颗粒器件。漫射体或反射体504可以用作将光重新导引或者反射至光学界面。
图6是包括窗户玻璃和附着至所述窗户玻璃内侧的反射结构在内的示范性EGT结构的平面图。PV电池120隐藏在窗框600后面，因此从外形图不可见。在这一示例中，将带通层非平面结构一侧(图2)或者电介质层一侧(图4)的表面形成为集成阵列中的锥体。其他形状和阵列也是可能的，其中结构尺寸、角度和/或间隔可以随着窗玻璃长度和宽度而改变。
通常，当光入射到两种电介质介质之间的界面上时，一部分反射回第一介质，其余的透射进入第二介质。光反射和透射的百分比以及反射和透射的光的角度依赖于相对于界面法线的入射角以及两种介质的折射率。
反射光相对于法向面的角度θr总是等于入射光的角度θi。
θi＝θr(1)
透射光相对于法向面的角度θt由斯内尔定律给出：
nisin(θi)＝ntsin(θt)(2)
其中，ni和nt分别是入射介质和透射介质的折射率。对于小入射角度，透射光的量值通常比反射光大得多。当光从高折射率介质传播至低折射率介质时，存在称作临界角的角度，使得以较大的角度入射的所有光将经历全内反射(TIR)。临界角θc可以通过设置θt等于90°来获得：
θ c = arcsin ( n t n i ) - - - ( 3 )
多层薄膜利用金属和电介质交替的光学薄层来控制表面的角度和光谱反射率以及透射率。这些薄膜可以在反射结构中用作图2的带通层非平面结构或图4的电介质层。
图7是描述了图1和图2的EGT结构的部分截面图。EGT结构100可以利用设计用作带通层非平面结构的单层或多层薄膜：透射可见光并且反射近红外光。所述薄膜构建并且嵌入在相同或类似折射率的两个透明电介质介质(200和204)之间。例如，所述薄膜的结构使得反射离开薄膜的光重新导引至窗玻璃102的边缘，在所述边缘处可以通过光伏电池将光转变为电力。以角度A入射到窗户上的光以等式(2)给出的角度B折射到具有折射率nwin的窗中。光线然后传播并以等式(2)给出的角度C折射进入具有折射率ntop的膜的顶部部分中。
nairsin(A)＝nwinsin(B)＝ntopsin(C))(4)
然后，光撞击纹理化的薄膜(带通层非平面结构)202，在所述纹理化的薄膜上可见光主要透射，而近红外光主要反射。
对于角度α处的纹理，反射的光以角度(C+2α)入射到反射结构-窗玻璃界面上，并且以角度D入射到窗户-空气界面上，所述角度D通过等式(2)与(C+2α)相关。
ntopsin(C+2α)＝nwinsin(D)(5)
如果D大于针对窗玻璃-空气界面的临界角，如由等式(3)所确定高度，那么所有的光都反射回窗玻璃继续朝着边缘传播。薄膜202的纹理设计为使得到达窗玻璃边缘的近红外光的量最大化。
入射到纹理化的薄膜202上的可见光透射通过所述薄膜。为了确保透射光在从顶部膜层200至底部膜层204传播时不会弯曲，顶部膜层和底部膜层的折射率可以相同。折射率中的任意差异导致光依据等式(2)而弯曲，并且导致通过窗户观看的场景看起来失真并且模糊。如果折射率近似相同，尽管不存在反射结构，以角度A入射到窗户上的可见光将通过窗户玻璃102和反射结构110并且以角度A出射。
图8是示范性带通层非平面结构的部分截面图。嵌入层的纹理是具有35°侧角的锥体的六边形阵列。锥体的直径和间距是1毫米(mm)，尽管这种尺寸对于收集效率没有影响，并且可以增加或者减小。将包括电介质膜800、804和808以及金属膜802和806在内的多层薄膜涂层形成为纹理化的结构，并且用作带通滤波器，使可见光通过但是反射近红外光。多层薄膜叠层800-808可以是电介质和金属层的叠层，例如氧化硅和银薄膜。例如，每一个膜的厚度对于氧化硅层可以是在100至300nm的范围，而对于银层可以是在3至10nm的范围。同样，可以存在更多或更少的电介质和金属膜，并且可以存在多于一种类型的电介质和多于一种类型的金属。应该理解的是这里展示的附图没有按比例绘制，并且典型地窗玻璃比反射结构厚的多。
图9A和图9B是图3和图4的EGT结构的部分截面图。在这一方面，反射结构302利用低折射率电介质膜402作为顶部和底部膜层400和404之间的间隙来代替多层薄膜，以经由全内反射对通过EGT结构的光进行角度滤波。这种方法的好处在于以较大角度入射到窗户上的阳光被散射到边缘，而以较小角度透过窗户观看的观察者具有未模糊的视图。间隙(电介质)层402的折射率小于顶部和底部膜层400和404，因此以大于针对这一界面的临界角的角度入射到间隙层402上的光具有TIR(图9A)。以小于临界角的角度入射到间隙层402上的光透射通过间隙层(图9B)。再次应该注意的是这里展示的附图没有按比例绘制，并且窗玻璃通常比反射结构厚的多。
在图9A中，光以较大的角度A入射到窗玻璃上。光线以角度B＝asin[(nair/nwin)*sin(A)]折射到窗玻璃中，并且以角度C＝asin[(nwin/ntop)*sin(B)]再次折射到顶部膜层400中。
光线以相对于间隙膜第一侧406的法向的角度C+α入射到间隙层402，其中α是纹理角度。C+α大于针对这一界面的临界角，因此光线由于TIR而反射离开所述界面，并且以角度C+2α入射到顶部膜层-窗玻璃界面。所述光线以角度D＝asin[(ntop/nwin)*sin(C+2α)]透射进入窗玻璃102中。
最后，光线以角度D撞击窗玻璃-空气界面，并且如果D大于针对这一界面的临界角，光线由于TIR而反射回窗玻璃中，在窗玻璃中所述光纤继续朝着窗玻璃边缘处的能量转换单元传播。
在图9B中，光以较小的角度E入射到窗玻璃102上。光线以角度F＝asin[(nair/nwin)*sin(E)]折射到窗玻璃中，并且以角度G＝asin[(nwin/ntop)*sin(F)]再次折射到顶部膜层400中。光线以小于针对这一界面的临界角的角度入射到间隙层402上，因此所述光线透射进入间隙层。间隙层402的第一侧406和第二侧408近似平行，并且顶部膜层400和底部膜层404具有近似相同的折射率，所以所述光线离开间隙层402以角度G进入底部膜层404中。然后，所述光线以角度E＝asin[(nbot/nair)*sin(G)]从EGT结构出射。入射角和出射角相等，所以窗户和EGT膜看起来是透明的。
间隙层402典型地制造得足够厚(比可见光波长大得多)以避免干扰色并且确保发生TIR，但是又制造得足够薄以减小光线偏离。当光线进出间隙层402时，它们根据等式(2)而弯曲。如果在给定的光线与所述界面交叉的情况下顶部膜层400-底部膜层404界面406/412和408/416平行，那么所述光线在通过EGT结构之后将不会偏离。然而，如果在光线与所述界面交叉的情况下所述间隙界面不平行，那么光线在通过窗玻璃和反射结构之后将具有净偏离，引起通过窗户观看的场景模糊。这种偏离可以通过将低折射率间隙层402的厚度最小化来减小。
EGT结构的这一方面依赖于TIR，所述TIR在材料的折射率不会随波长显著变化的可见光(Vis)-近红外范围内是光谱无关的。此外，可以将诸如在图1和图2的反射结构中描述的带通膜添加至间隙层402的表面，以分别减小或者增大可见光和近红外光的反射率。
图10是示出了从入射到EGT结构的光产生能量的方法的流程图。尽管为了清楚起见将所述方法描述为顺序编号的步骤，所述编号不必表示步骤的顺序。应该理解，所以可以省略、并行执行或者不要求保持所述序列的严格顺序来执行这些步骤的一些。然而，通常所述方法遵循所述步骤的编号顺序。所述方法开始于步骤1000。
步骤1002提供具有窗玻璃的EGT结构，所述窗玻璃具有与反射结构相邻的内表面。以上已经在图1和图2的解释中描述了EGT结构。步骤1004接受入射到窗玻璃的外表面的光。步骤1006将可见光谱的光透射通过窗玻璃和反射结构。步骤1008将近红外(NIR)光谱的光从反射结构反射进入到窗玻璃中。步骤1010将反射的NIR光谱的光供应至窗玻璃的边缘。步骤1012将供应至窗玻璃边缘的反射的NIR光谱的光转换为能量形式。所述能量形式可以是经由光伏产生的电流或者经由NIR波长的光吸收产生的热能，尽管其他光转换形式也是可能的，并且所述方法不比仅仅局限于这些能量形式。
在一个方面，在步骤1004中接受入射到窗玻璃的外表面的光包括：接受以第一角度入射到窗玻璃的外表面的光，其中相对于与形成窗玻璃外表面的表面垂直的方向来测量所述角度。然后，在步骤1006中，将可见光谱的光透射通过窗玻璃和反射结构包括将可见光谱的光以第一角度透射通过反射结构。
在另一个方面，在步骤1010中将反射的NIR光谱的光供应至窗玻璃的边缘包括供应角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生TIR的角度的反射NIR光谱光。
图11是示出了从入射到EGT结构的光产生能量的方法的变体的流程图。所述方法开始于步骤1100。步骤1102提供具有窗玻璃的EGT结构，所述窗玻璃具有与反射结构相邻的内表面。以上已经在图3和图4的解释中描述了这种EGT结构。步骤1104接受以多个角度入射到窗玻璃的外表面的光。步骤1106将以小于或等于第一角度的角度入射到窗玻璃外表面的光透射通过窗玻璃和反射结构。相对于与窗玻璃外表面垂直的(法向)方向来测量所述第一角度。步骤1108将以大于第一角度的角度入射到窗玻璃外表面的光从反射结构反射进入到窗玻璃中。步骤1110将反射的光供应至窗玻璃的边缘。步骤1112将供应至窗玻璃边缘的光转换为能量形式。所述能量形式可以是经由光伏产生的电流或者经由光吸收产生的热能，尽管其他光转换形式也是可能的，并且所述方法不仅仅局限于这些能量形式。
在一个方面，在步骤1104中接受入射到窗玻璃的外表面的光包括：接受以小于第一角度的第二角度入射到窗玻璃的外表面的光。然后，在步骤1106中将光透射通过窗玻璃和反射结构包括：将光以第二角度透射通过反射结构。
在另一个方面，在步骤1108中将光从反射结构反射回窗玻璃中包括：响应于在反射结构内发生的TIR而反射光。另外，步骤1110中将反射的光供应至窗玻璃的边缘包括：响应于反射光的角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生TIR的角度来将反射的光供应至边缘。
已经提供了能量产生透明结构和能量产生方法。已经展示了具体材料、形态、膜层顺序和用途的示例以说明本发明。然而，本发明不必只局限于这些示例。对于本领域普通技术人员可以发生其他变体和实施例。
本发明的一些实施例公开了以下内容。
这里描述了一种自我供电的智能窗户作为能量产生透明(EGT)结构。EGT结构是一种向多种电子设备供电的非侵入式低成本方案，所述电子设备不但可以应用于智能窗户，而且也可以应用于低功率消费装置，例如全球定位卫星(GPS)装置、智能电话和电子板。因为EGT结构具有高可见光透射率，所以EGT结构可以在不影响视觉外观的情况下集成到建筑物和装置中。EGT结构包括可见透射材料内部的光捕获和反射机制。
在一个方面，EGT结构包括定位于玻璃衬底下方、具有在透明膜层之间形成的多个锥形表面的反射结构。在第一透明膜中形成的第一组锥形表面具有第一角度以限定反射光的方向。在第二透明膜中形成的第二组锥形表面具有与第一组锥形表面相同的角度。第一透明膜通过用作通过大多数可见光但是反射近红外光的带通滤波器的单层或多层膜与第二透明膜分离。反射结构使得反射离开带通层的光经由全内反射(TIR)重新导引至玻璃的边缘，在此处光可以通过光伏电池转换为电流或者通过热吸收材料转换为热量。因此，EGT结构用作光波导，其中将反射离开反射结构锥体的入射光导引至EGT结构的玻璃的外围。
在另一个方面，EGT结构再次包括具有在定位于玻璃衬底下方的透明膜层中形成的多个锥形表面的反射结构。在第一透明膜中形成的第一组锥形表面具有第一角度以限定反射光的方向。在第二透明膜中形成的第二组锥形表面具有与第一组锥形表面相同的角度。第一透明膜通过具有低折射率的膜与第二透明膜分离，所述低折射率膜通过由于TIR导致的对具有较大入射角度的光进行反射来在角度上过滤光。因此，将以较大角度入射到玻璃的阳光散射至边缘，而以较小角度透过窗户观察的观察者具有不模糊的视线。换句话说，EGT结构用作光波导，其中将反射的入射光导引至玻璃外围，并且将其收集为能量。除了锥形结构之外，也可以使用其他结构形状，例如脊形表面、棱镜和半球形状。同样，在膜内所述结构尺寸和角度也可以改变。
因此，提供了一种从入射到EGT结构的光产生能量的方法。所述EGT结构由具有与反射结构相邻的内表面的窗玻璃制成。所述方法接受入射到所述窗玻璃的外表面的光，并且将可见光谱中的光透射通过所述窗玻璃和反射结构。然而，将近红外(NIR)光谱中的光从所述反射结构反射回所述窗玻璃中，使得将反射的NIR光谱的光供应至所述窗玻璃的边缘。例如，如果所述光的角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生的TIR的角度，则将反射的NIR光谱的光供应至窗玻璃边缘。可以将这种反射的NIR光谱的光转换为电能或热能。
所述方法的另一个方面使用不同类型的反射结构。在这一方面，如果光以小于或等于第一角度的角度入射到所述窗玻璃外表面，其中相对于与所述窗玻璃外表面垂直的方向测量所述第一角度，则所述光透射通过所述窗玻璃和反射结构。然而，如果光以大于所述第一角度的角度入射到所述窗玻璃外表面，则所述光从所述反射结构反射回所述窗玻璃中。然后，所述方法将反射的光供应至所述窗玻璃的边缘。
更明确地，响应于在反射结构内发生的TIR，将光从反射结构反射回窗玻璃。同样地，响应于反射的光的角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生的TIR的角度，将反射的光供应至窗玻璃的边缘。
下面将更加详细地描述上述方法和EGT结构的附加细节。
因此这样描述了本发明，显而易见的是同样的方法可以按照许多方式改变。这些变体不应该看作是背离本发明的精神和范围，并且所有这些变化对于本领域普通技术人员显而易见的是意欲包括在以下权利要求的范围内。
相关申请
本申请要求基于2013年4月29日递交的申请号为No.13/872,473(代理人卷号NO.SLA3276)的由AkiHashimura等人发明的题为“ENERGY-EFFICIENTTRANSPARENTSOLARFILM”的部分继续申请的优先权；
所述申请是2012年12月13日递交的申请号为No.13/714,073(代理人卷号NO.SLA3128)的由AkiHashimura等人发明的题为“AIRSTABLE，COLORTUNABLEPLASMONICSTRUCTURESFORULTRAVIOLET(UV)ANDVISIBLEWAVELENGTHAPPLICATIONS”的部分继续申请；
所述申请是2012年7月26日递交的申请号为No.13/558,396(代理人卷号NO.SLA3175)的由AkiHashimura等人发明的题为“PLASMONICIN-CELLPOLARIZER”的部分继续申请；
所述申请是2012年4月19日递交的申请号为No.13/449,370(代理人卷号N0.SLA3106)的由AkiHashimura等人发明的题为“PLASMONICREFLECTIVEDISPLAYFABRICATEDUSINGANODIZEDALUMINUMOXIDE”的部分继续申请；
所述申请是2012年3月29日递交的申请号为No.13/434,548(代理人卷号NO.SLA3026)的由AkiHashimura等人发明的题为“METHODFORIMPROVINGMETALLICNANOSTRUCTURESTABILITY”的部分继续申请；
所述申请是2012年7月14日递交的申请号为No.12/836,121(现在的专利号US8,368,998)的由Tang等人发明的题为“PLASMONICELECTRONICSKIN”的部分继续申请；
所述申请是2009年12月23日递交的申请号为No.12/646,585(现在的专利号US8,223,425)的由Tang等人发明的题为“PLASMONICDEVICETUNEDUSINGPHYSICALMODULATION”的部分继续申请；
所述申请是2009年12月10日递交的申请号为No.12/635,349(现在的专利号US8,355,099)的由Tang等人发明的题为“PLASMONICDEVCIETUNEDUSINGLIQUIDCRYSTALMOLECULEDIPOLECONTROL”的部分继续申请；
所述申请是2009年11月19日递交的申请号为No.12/621,567(现在的专利号US8,339,543)的由Tang等人发明的题为“PLASMONICDEVCIETUNEDUSINGELASTICANDREFRACTIVEMODULATIONMECHANISMS”的部分继续申请；
所述申请是2009年11月6日递交的申请号为No.12/614,368(现在的专利号US8,045,107)的由Tang等人发明的题为“COLOR-TUNABLEPLASMONICDEVICEWITHAPARTIALLYMODULATEDREFRACTIVEINDEX”的部分继续申请。将上述所有申请合并在此作为参考。

Claims (25)

1.一种能量产生透明EGT结构，包括：
窗玻璃，具有内表面、外表面和边缘，所述窗玻璃对于入射到所述外表面的光中的可见光波长和近红外NIR波长的光透明；
反射结构，与所述窗玻璃内表面相邻，对于可见波长的光透明，并且反射NIR波长的光；以及
其中所述窗玻璃将从所述反射结构反射回的NIR波长的光内部地导引向所述窗玻璃的边缘。
2.根据权利要求1所述的EGT结构，其中所述反射结构包括：
顶部膜层，下覆于所述窗玻璃内表面，并且对于可见光波长和NIR波长的光透明；
带通层非平面结构，下覆于顶部膜层，对于可见波长的光透明，并且反射NIR波长的光；以及
底部膜层，下覆于带通层非平面结构，并且对于可见光波长和NIR波长的光透明。
3.根据权利要求2所述的EGT结构，其中所述顶部膜层具有与窗玻璃内表面相邻的平面表面以及与带通层非平面结构共形的非平面表面；以及，其中所述底部膜层具有平面表面和与所述带通层非平面结构共形的非平面表面。
4.根据权利要求3所述的EGT结构，其中所述窗玻璃外表面形成于第一面中；以及
其中所述带通层非平面结构包括多个表面，每一个表面相对于所述第一面形成非零角度；以及其中当相对于与所述第一面垂直的方向测量时，所述带通层非平面结构以相对于窗玻璃外表面入射的角度而修改的角度来反射NIR波长光。
5.根据权利要求3所述的EGT结构，其中所述带通层非平面结构包括：
与顶部膜层相邻的第一侧，具有第一形状；以及
与底部膜层相邻的第二侧，具有所述第一形状。
6.根据权利要求5所述的EGT结构，其中所述顶部膜层具有第一折射率，并且
其中所述底部膜层具有所述第一折射率。
7.根据权利要求6所述的EGT结构，其中所述窗玻璃具有第二折射率，并且在NIR波长光的大于或等于第二角度的角度下具有全内反射TIR，所述TIR响应于第二折射率和折射率1；以及
其中所述窗玻璃经由对于窗玻璃边缘的内反射来导引以大于或等于第二角度的角度入射到窗玻璃波导外表面的、从带通层非平面结构反射的NIR波长光。
8.根据权利要求1所述的EGT结构，还包括：
能量转换装置，具有：光学界面，接受由反射结构反射的NIR波长的光；以及能量界面，供应响应于NIR波长的光而产生的能量形式，其中所述能量形式从由以下部分组成的组中选择：经由光伏的电流和经由NIR波长光吸收的热能。
9.根据权利要求8所述的EGT结构，其中所述能量转换装置的光学界面与窗玻璃边缘相邻，以接受通过窗玻璃导引的NIR波长光。
10.一种能量产生透明EGT结构，包括：
窗玻璃，具有内表面、外表面和边缘，所述窗玻璃对于入射到所述外表面的光透明；
反射结构，与所述窗玻璃内表面相邻，对于以小于第一角度的角度入射到窗玻璃外表面的光透明，并且反射以大于或等于所述第一角度的角度入射到窗玻璃外表面的光；
其中所述窗玻璃将从所述反射结构反射回的光内部地导引向所述窗玻璃的边缘，并且
其中相对于与所述窗玻璃外表面垂直的方向测量所述第一角度。
11.根据权利要求10所述的EGT结构，其中所述反射结构包括：
顶部膜层，下覆于窗玻璃内表面，对于光透明，并且具有第一折射率；
电介质层，下覆于所述顶部膜层，对于光透明，并且具有比所述第一折射率小的第二折射率；以及
底部膜层，下覆于电介质层，对于光透明，并且具有所述第一折射率。
12.根据权利要求11所述的EGT结构，其中所述电介质层具有：非平面第一侧，形成为具有第一形状并且与底部膜层相邻；以及非平面第二侧，形成为具有第一形状并且与底部膜层相邻；
其中所述顶部膜层具有与窗玻璃内表面相邻的平面表面以及与电介质层第一侧相邻且具有第一形状的非平面表面；以及
其中底部膜层具有平面表面以及与电介质层第二侧相邻且具有第一形状的非平面表面。
13.根据权利要求12所述的EGT结构，其中所述窗玻璃外表面形成于第一面中；以及
其中所述电介质层第一侧和第二侧每一个均包括多个表面，相对于所述第一面以非零角度形成每一个表面。
14.根据权利要求13所述的EGT结构，其中响应于第一折射率和第二折射率，所述顶部膜层非平面表面在第二角度处具有全内反射TIR。
15.根据权利要求14所述的EGT结构，其中所述窗玻璃具有第三折射率，并且在大于或等于第三角度的角度处具有TIR，所述窗玻璃TIR响应于第三折射率和折射率1；以及
所述窗玻璃经由对于窗玻璃边缘的内反射来导引以大于第三角度的角度入射到窗玻璃波导外表面的、从顶部膜层非平面表面反射的光。
16.根据权利要求10所述的EGT结构，还包括能量转换装置，所述能量转换装置具有：光学界面，接受由反射结构反射的光；以及能量界面，供应响应于接受的光而产生的能量形式，其中所述能量形式从由以下部分组成的组中选择：经由光伏的电流和经由光吸收的热能。
17.根据权利要求16所述的EGT结构，其中所述能量转换装置光学界面与窗玻璃边缘相邻，以接受通过窗玻璃导引的光。
18.一种利用入射到能量产生透明EGT结构的光来产生能量的方法，所述方法包括：
提供具有窗玻璃的EGT结构，所述窗玻璃具有与反射结构相邻的内表面；
接受入射到所述窗玻璃的外表面的光；
将可见光谱的光透射通过所述窗玻璃和反射结构；
将近红外NIR光谱的光从所述反射结构反射回所述窗玻璃中；以及
将反射的NIR光谱的光供应至所述窗玻璃的边缘。
19.根据权利要求18所述的方法，其中接受入射到窗玻璃的外表面的光包括：接受以第一角度入射到窗玻璃的外表面的光，其中相对于与形成窗玻璃外表面的面垂直的方向来测量所述角度；以及
其中将可见光谱的光透射通过所述窗玻璃和反射结构包括：将可见光谱的光以第一角度透射通过反射结构。
20.根据权利要求18所述的方法，其中将反射的NIR光谱的光供应至所述窗玻璃的边缘包括：供应反射NIR光谱光，所述NIR光谱光的角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生全内反射TIR的角度。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将反射的NIR光谱的光转换为供应至窗玻璃边缘的能量形式，其中所述能量形式从由以下部分组成的组中选择：经由光伏的电流和经由NIR波长光吸收的热能。
22.一种利用入射到能量产生透明结构EGT的光来产生能量的方法，所述方法包括：
提供具有窗玻璃的EGT结构，所述窗玻璃具有与反射结构相邻的内表面；
接受以多个角度入射到所述窗玻璃的外表面的光；
将以小于或等于第一角度的角度入射到所述窗玻璃外表面的光透射通过所述窗玻璃和反射结构，其中相对于与所述窗玻璃外表面垂直的方向来测量所述第一角度；
将以大于所述第一角度的角度入射到所述窗玻璃外表面的光从所述反射结构反射回所述窗玻璃中；以及
将反射的光供应至所述窗玻璃的边缘。
23.根据权利要求22所述的方法，其中接受入射到窗玻璃的外表面的光包括：接受以小于第一角度的第二角度入射到窗玻璃的外表面的光；以及
其中将光透射通过窗玻璃和反射结构包括：将光以第二角度透射通过反射结构。
24.根据权利要求22所述的方法，其中将光从反射结构反射回窗玻璃中包括：响应于在反射结构内发生的全内反射TIR而反射光；以及
其中将反射的光供应至窗玻璃的边缘包括：响应于发射光的角度大于或等于在窗玻璃外表面和空气之间发生TIR的角度，将反射的光供应至边缘。
25.根据权利要求22所述的方法，还包括：
将供应至窗玻璃边缘的光转换为能量形式，其中所述能量形式从由以下部分组成的组中选择：经由光伏的电流和经由光吸收的热能。
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