CN113167935A - 用于太阳能聚光器的玻璃基板上的硅菲涅尔透镜和制造方法 - Google Patents

用于太阳能聚光器的玻璃基板上的硅菲涅尔透镜和制造方法 Download PDF

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Abstract

一种制造用于聚集电磁辐射的光学元件的方法，包括以下步骤：(a)提供第一透光玻璃基板(20)，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；(b)向玻璃基板的后表面和/或前表面施加液态有机硅树脂(30)；(c)使液态有机硅树脂与模具接触，使得液态有机硅树脂采取模具的形状并且形成在玻璃基板的施加有液态有机硅树脂的表面上延伸的微结构；(d)使液态有机硅树脂固化，以形成具有微结构的透光有机硅覆层，其中玻璃表面在施加有机硅之前已被粗糙化。

Description

用于太阳能聚光器的玻璃基板上的硅菲涅尔透镜和制造方法
技术领域
本发明涉及用于玻璃、特别是用于诸如在太阳能聚光器中使用的光学元件的覆层，并且涉及这些覆层对玻璃的粘附。特别地，覆层是具有光学效果的结构化覆层。本发明还涉及制造镀膜玻璃的方法、包括该镀膜玻璃作为光学元件的太阳能聚光器、太阳能聚光器的制造方法以及适用于生产具有光学效果的结构化覆层的模具的制造方法。
背景技术
在许多应用中，使用聚光器或透镜来聚集光。许多类型的透镜已得到了验证，例如传统的折射透镜、凹面反射透镜和菲涅耳透镜。在太阳能收集领域，已经描述了菲涅耳透镜和类似的透镜。这些透镜可用于通过反射(可选地还通过折射)来将光聚集于透镜的前(光入射)侧处的焦点、焦线或聚焦区，或者将穿过透镜的光折射到透镜的后表面处的焦点、焦线或聚焦区。这样的透镜的构造可以大致分为两组：一组是在不必透光的基板的前(光入射)侧上设置透镜结构和反射层，从而形成反射透镜；另一组的基板必须是透光的，并且透镜结构可以设置在透光基板的前表面和/或后表面上。在透镜的后表面上设置反射层的情况下，形成反射透镜；在不设置反射层的情况下，形成折射透镜。本发明涉及需要透光基板的透镜。
US4315671描述了一种用于聚集电磁辐射的透镜，其结合了反射特性和折射特性。在一个实施方式中，该透镜具有基本上平面的前(光入射)表面，并且在后表面上具有包括镜面覆层的倾斜部分。这允许通过透镜的反射性倾斜后表面所施加的反射角以及反射光穿过透镜的主体所产生的折射来引导反射光。其声称能够通过避免在透镜的前表面上使用镜面涂覆的倾斜表面而更容易地清洁透镜。
WO2015/081961描述了一种用于线性太阳能聚光器的光学元件，该元件包括透光聚合物箔，其在后表面上具有菲涅耳透镜镜面结构，并且可选地在前表面上具有抗反射层，该元件使垂直于聚合物箔的前表面的平面入射的光能够被反射并随后被折射，以使其横切于该元件的平面被引导，从而可以使用扁平元件代替抛物线形元件。该光学元件可以使用卷对卷工艺来制造。该光学元件在使用中用于被安装至太阳能聚光器的基板形成部分的前表面(即，光入射侧)。
US4385430描述了一种用于聚集太阳能的系统，其中菲涅耳反射器元件是通过塑料材料经由浇铸、成型、挤出或压花工艺并随后通过诸如真空沉积的方法对带槽表面进行金属化而形成的。特别地提到了丙烯酸菲涅尔条带。为了防止对形成菲涅耳反射器元件的塑料材料造成环境损害，建议将玻璃层通过粘合剂粘接到菲涅耳反射器的前(光入射)侧。菲涅耳反射器的后表面被粘附到诸如铝片的基板上，以降低组装成本并同时保持所需的刚性。
WO2017/149095描述了用于聚集太阳辐射的光学元件、用于光学元件的聚集用聚合物箔、该箔和元件的制造方法以及修复光学元件的方法。其中描述的光学元件解决了在使用一段时间后、在由于UV损害和/或风中灰尘或元件的清洗对元件的刮擦而使效率变差之后恢复光学元件的效率的需求。提供了一种包括可切换的粘合层的聚集用聚合物箔，其在初始箔的性能由于暴露于环境而降低时可从基板上移除并用新的聚集用聚合物箔替换。描述了透镜的布置，其中在透光基板的后表面上设置有透镜结构并且可选地还设置有反射层。
Rumyantsev在Optics Express杂志(2010，18，S1，A17-A24)中描述了包含有机硅的太阳能聚光器模块在玻璃菲涅耳透镜面板上的使用，其中硅酸盐玻璃片用作透明有机硅的覆板，通过使用阴轮廓模具使有机硅化合物直接在玻璃片上聚合而在其中形成菲涅耳微棱镜。其中教导的是，与具有规则厚度的丙烯酸菲涅尔透镜相比，其具有有机硅的高UV稳定性、优异的抗热冲击性和耐高温和低温性、在与硅酸盐玻璃进行堆叠时具有良好的粘合性以及较低的阳光吸收性的优点。透镜是与1.7mm直径的接收器一起使用的40mm×40mm的小尺寸。
EP2871499描述了用于聚光光伏装置的光学元件的形成，该光学元件包括玻璃基板以及粘接到玻璃基板的背对入射光的表面上的片状模制体，该片状模制体由有机树脂制成并包括形成在其中的菲涅耳透镜图案。讨论了将有机硅用于片状模制体，并且教导了这种树脂具有与由于温度变化而引起光学元件翘曲的玻璃非常不同的热膨胀系数。因此，该文件教导了将丙烯酸嵌段共聚物和丙烯酸树脂的组合用作片状模制体。
CN102096125公开了聚光菲涅耳透镜的制造方法和装置，其中将覆层喷涂到清洁的超白玻璃基板上，然后通过使结构化模压辊在覆层上按压而在覆层中设置菲涅耳透镜结构来对覆层成形。喷涂的覆层可以是硅胶。其声称使用辊模在成型工序中保持模具与覆层之间的较小的接触面积。
WO2011/021694描述了通过用玻璃菲涅耳结构层代替树脂菲涅耳结构层来减小菲涅耳透镜的焦距，该玻璃菲涅耳结构层直接由玻璃基板形成，或者由原位烧制形成玻璃透镜的玻璃料和粘合剂的组合物与玻璃基板一体形成。
US2015/0110970描述了一种通过在开口的铸模中执行浇铸法而将有机硅菲涅尔层施加到玻璃基板上的方法，设有粘附促进剂层的玻璃基板被插入到该铸模中并且该铸模中填满有机硅前体。然后使组件经受导致有机硅前体固化的条件。
EP2603822在其他布置之外公开了一种用于光学元件的玻璃基板上的有机硅结构化层。该文件的目的在于通过预测变形并构建结构化层从而使得其在预期的工作温度下具有期望的几何形状来允许通过结构化层的热膨胀产生热变形。
发明内容
本发明人已经认识到，尽管在塑料形成的菲涅耳反射器元件的前表面上设置玻璃层可以为菲涅耳元件提供一些针对UV光的保护，但是这不能为光学元件提供期望的寿命。尽管设置WO2017/149095中所述的可更换的聚焦膜可以延长光学元件的寿命，但是也期望提供的光学元件的寿命在无需更换聚焦膜的情况下可以为大约25至30年，甚至更长。
此外，期望能够提供一种光学元件，其具有对于商用太阳能聚光器的使用来说实用的尺寸和/或在光学元件所包括的层的布置中提供灵活性。
因此，在第一方面中，本发明提供了一种制造用于聚集电磁辐射的光学元件的方法，其包括以下步骤：
(a)提供第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；
(b)将液态有机硅树脂施加到玻璃基板的后表面和/或前表面上；
(c)使液态有机硅树脂与模具接触，使得液态有机硅树脂采取模具的形状并且形成在玻璃基板的施加有液态有机硅树脂的(多个)表面上延伸的微结构；
(d)使液态有机硅树脂固化，以形成微结构化透光有机硅覆层。
其中玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面被粗糙化。
优选地，模具的形状在步骤(c)中使得液态有机硅树脂采取在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构，更优选为菲涅耳透镜微结构。
优选地，玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面的表面粗糙化为纳米结构的形式，其高度小于1000nm，优选为800nm，更优选为600nm，例如500nm，更优选为400nm，最优选为300nm。优选地，纳米结构的高度为50nm以上，优选为100nm以上，最优选为200nm以上。优选地，粗糙化的表面的Rz值在50nm至800nm的范围内，更优选为100nm至600nm，最优选为200nm至400nm。优选地，这些结构的宽度与高度相同。可以通过在玻璃基板上蚀刻的折射率梯度结构来提供合适的表面粗糙化。
优选地，在步骤(a)之后并且在步骤(b)之前，所述方法还包括在玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面上形成纳米结构的步骤。优选地，玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面的表面粗糙化为纳米结构的形式，其高度小于1000nm，优选为800nm，更优选为600nm，例如500nm，更优选为400nm，最优选为300nm。优选地，纳米结构的高度为50nm以上，优选为100nm以上，最优选为200nm以上。优选地，纳米结构化步骤包括在玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面上蚀刻折射率梯度结构，优选将多孔结构或开口结构蚀刻到基板的表面中。适当地，蚀刻是等离子蚀刻步骤。
优选地，在玻璃基板只有一个表面要涂覆液态有机硅树脂的情况下，给玻璃基板的另一个表面设置抗反射覆层或处理结构。适当地，在步骤(a)之后并且在步骤(b)之前，所述方法还包括在玻璃基板的该表面上施加抗反射覆层或抗反射处理结构的步骤。
优选地，玻璃基板的宽度和/或长度的尺寸至少为0.5m，其中基板的前表面和后表面具有四边形形状。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为0.25m2。优选地，玻璃基板的宽度和/或长度至少为0.75m。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为0.5625m2。优选地，玻璃基板的宽度和/或长度至少为1m。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为1m2。对于宽度和长度为1m×1m的基板，合适的厚度是2mm至5mm，例如3mm。适当地，玻璃基板的最大面积为4m2，例如宽度为2m并且长度为2m。对于宽度和长度为2m×2m的基板，合适的厚度是6mm至10mm，例如8mm。优选地，玻璃基板在制造公差内是平面的；当在太阳能聚光器中使用时，0.5至5度的非平面度的偏差是可接受的。
适当地，在步骤(b)中，通过本领域已知的用于在表面上设置液体层的任何合适的方法进行液态有机硅树脂的施加。例如，可以使用旋涂(在基板尺寸允许的情况下)或刮涂。然而，优选地，将液态有机硅树脂的一个或多个液滴、汇集物(pool)或区块(area)施加到表面上，但在施加的步骤(b)期间该一个或多个液滴、汇集物或区块不主动铺开形成连续的层。
适当地，在步骤(c)中，模具可以采取任何合适的形式，或者通过能够将液态有机硅树脂形成为在玻璃基板的所选的(多个)表面上延伸的微结构的任何合适的材料制成。例如，模具可以是压模或结构化辊。模具可以由塑料材料、金属、玻璃或陶瓷制成，并且可以是柔性的或刚性的。
优选地，模具是热塑薄膜，其一个表面上形成有与液态有机硅树脂采取的在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构相反的微结构。优选地，该热塑薄膜是柔性的，例如使得其可以在固化之后从有机硅覆层的表面上剥离。特别优选地，热塑薄膜可以从聚丙烯薄膜和聚乙烯薄膜中选择。优选地，热塑薄膜的厚度可以为40μm至200μm。优选地，热塑薄膜的宽度和长度大于或等于所使用的玻璃基板。优选地，模具还包括载体箔，热塑薄膜被支撑在该载体箔上。
优选地，在步骤(c)中，使液态有机硅树脂与模具接触包括使热塑薄膜的形成有微结构的表面压住液态有机硅树脂，以使液态有机硅树脂采取该微结构的形状。优选地，使用压辊将热塑薄膜压在液态有机硅树脂上。优选地，特别是在液态有机硅树脂在步骤(b)中作为液态有机硅树脂的一个或多个液滴、汇集物或区块被施加到基板的表面上的情况下，使热塑薄膜压住液态有机硅树脂还将液态有机硅树脂铺开，从而形成在玻璃基板的所选的(多个)表面上延伸的连续覆层。
优选地，在步骤(d)中，使用温度和时间的组合来执行固化。例如，根据所选的液态有机硅树脂，固化条件可以是在环境温度(例如，20℃)下24小时，在40℃下10小时或在70℃下1小时。本领域技术人员将理解，对于给定的树脂，可以根据工艺要求在固化温度和固化时间之间找到平衡；例如，合适的加热设备的可用性或可用的固化时间。优选地，固化不包括使用UV辐射来引发固化过程。
适当地，在固化步骤(d)之后并且在模具为压模、热塑薄膜或其他合适的形式的情况下，可以使模具在经固化的透光有机硅覆层上留在原位，以在覆层用作光学元件之前充当其保护层。这在如上所述的模具是热塑薄膜或被支撑在载体箔上的热塑薄膜的情况下是特别优选的。
适当地，所述方法还包括以下步骤：
(e)从微结构化透光有机硅覆层上去除模具。
优选地，其中模具为如上所述的热塑薄膜的去除步骤(e)包括将热塑薄膜从有机硅覆层上剥离。
在本发明的第二方面中，本发明提供了一种用于聚集电磁辐射的光学元件，其包括：
第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；以及
位于基板的后表面和/或前表面上的透光有机硅覆层。
其中有机硅覆层上形成有使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构，并且其中玻璃基板的形成有有机硅覆层的(多个)表面被粗糙化。
在本发明中，在有机硅覆层与玻璃基板之间没有设置粘合层或粘附促进剂覆层。这降低了制造的成本和复杂性，并且避免了可能的UV光或进水引起粘合层的劣化。
优选地，在有机硅覆层的结构化侧上(即，有有机硅覆层的不与玻璃基板接触的一侧上)设置有保护膜。适当地，保护膜是热塑薄膜。适当地，保护膜上形成有微结构，该微结构与在有机硅覆层上形成的微结构相反并且与有机硅覆层上的微结构配合。
优选地，透光有机硅覆层由户外使用的有机硅形成。适当地，透光有机硅覆层由适于浇铸的液态有机硅树脂形成。优选地，有机硅是从聚合的硅氧烷或聚硅氧烷组成的组中选择的类型。优选地，有机硅从聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的组中选择。
优选地，玻璃基板的形成有透光有机硅覆层的(多个)表面的表面粗糙化为纳米结构的形式，其高度小于1000nm，优选为800nm，更优选为600nm，例如500nm，更优选为400nm，最优选为300nm。优选地，纳米结构的高度为50nm以上，优选为100nm以上，最优选为200nm以上。优选地，(多个)粗糙化的表面的Rz值在50nm至800nm的范围内，更优选为100nm至600nm，最优选为200nm至400nm。优选地，这些结构的宽度与高度相同。可以通过在玻璃基板上蚀刻的折射率梯度结构来提供合适的表面粗糙化。根据本发明的未粗糙化的玻璃基板的表面粗糙度通常小于5nm，例如具有小于5nm的Ra值。
优选地，纳米结构的高宽比为0.5至1。
优选地，在玻璃基板只有一个表面涂覆有透光有机硅覆层的情况下，给玻璃基板的另一个表面设置抗反射覆层或处理结构。优选地，抗反射处理结构是在玻璃基板上蚀刻出折射率梯度结构。
优选地，玻璃从硼硅酸盐玻璃、低铁玻璃、无铁玻璃或浮法玻璃。特别优选使用低铁玻璃或无铁玻璃，因为穿过其中的光的透射率更高，因此提高了光学元件的效率。
优选地，玻璃基板的宽度和/或长度的尺寸至少为0.5m，其中基板的前表面和后表面具有四边形形状。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为0.25m2。优选地，玻璃基板的宽度和/或长度至少为0.75m。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为0.5625m2。优选地，玻璃基板的宽度和/或长度至少为1m。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为1m2。对于宽度和长度为1m×1m的基板，合适的厚度是2mm至5mm，例如3mm。适当地，玻璃基板的最大面积为4m2，例如宽度为2m并且长度为2m。对于宽度和长度为2m×2m的基板，合适的厚度是6mm至10mm，例如8mm。
优选地，光学元件用于聚集光，特别是聚集太阳辐射。优选地，使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构是菲涅尔透镜微结构。
在本发明的某些实施方式中，优选的是，玻璃基板的后表面涂覆有透光有机硅覆层。然而，在其他实施方式中，优选的是，代替后表面或作为后表面的补充，对玻璃基板的前表面涂覆透光有机硅覆层。
适当地，光学元件可以包括第二透光玻璃基板，其可以放置在第一透光玻璃基板的前方或后方(参考入射光的预期方向)。优选地，在第一透光玻璃基板的后表面上设置有透光有机硅覆层的情况下，将第二透光玻璃基板放置在第一透光玻璃基板的后方，优选地，在第一透光玻璃基板的前表面上设置有透光有机硅覆层的情况下，将第二透光玻璃基板放置在第一透光玻璃基板的前方。第二透光玻璃基板可以被放置为与第一透光玻璃基板接触，或者与第一透光玻璃基板上的透光有机硅覆层接触。替代地，可以在基板之间设置合适的衬垫以在它们之间保持期望的间距。在任一种情况下，都可以使用合适的密封剂将第一透光玻璃基板和第二透光玻璃基板之间的空间与周围环境隔离开。适当地，可以在第一透光玻璃基板和第二透光玻璃基板之间提供干燥气体，例如干燥惰性气体。适当地，第二透光玻璃基板由与第一透光玻璃基板相同的材料形成并且具有相同的上述尺寸；优选地，第一透光基板和第二透光基板由相同的材料形成并且具有相同的尺寸。适当地，第二透光玻璃基板可以在其前表面和/或后表面上具有抗反射覆层，该抗反射覆层优选是以上针对第一透光玻璃基板所述那样。适当地，第二透光玻璃基板还可以在该第二透光玻璃基板的前表面和/或后表面上包括形成有微结构的透光有机硅覆层；优选地，透光有机硅覆层是以上针对第一透光玻璃基板所述那样。在一个优选实施方式中，在第一透光玻璃基板的后表面上设置有透光有机硅覆层的情况下，第二透光玻璃基板被放置在第一透光玻璃基板的后方并且在前表面上设置有透光有机硅覆层。
在第三方面中，本发明提供了一种太阳能聚光器，其包括至少一个根据本发明的第二方面的光学元件。
适当地，太阳能聚光器可以包括一个以上的根据本发明的光学元件，例如光学元件的阵列。适当地，每个光学元件都可以将入射辐射聚集在相关联的聚焦区上。替代地，每个光学元件都可以形成有菲涅耳微结构，使得太阳能聚光器中包括的所有光学元件一起将入射辐射聚集在公共聚焦区上。作为另一种替代方案，太阳能聚光器中包括的光学元件的子组可以形成有菲涅耳微结构，使得光学元件的子组一起将入射辐射聚集在公共聚焦区上，并且可以在太阳能聚光器中设置一个或多个这样的子组。
适当地，太阳能聚光器还包括被定位为用于接收穿过光学元件并被光学元件聚集的辐射的一个或多个太阳能收集器或接收器。一个或多个太阳能收集器定位在与太阳能聚光器中包括的每个光学元件或每组光学元件相关联的那些或每个聚焦区内。适当地，太阳能收集器可以各自从光伏电池或被设置为通过入射的太阳辐射加热并将热传递至传热流体的热交换器中选择。适当地，在太阳能收集器是光伏电池的情况下，太阳能聚光器还包括适于将光伏电池产生的电能传递至合适的电能消耗物或储存介质(例如家用电路或电池)的布线和电路。适当地，在太阳能收集器是热交换器的情况下，太阳能收集器还包括适于将传热流体输送到热能消耗物或热能储存介质(例如，蒸汽发生器或散热器)的导管。
优选地，太阳能聚光器还包括用于一个或多个光学元件的支撑件。优选地，支撑件将一个或多个光学元件保持在期望的取向上。在太阳能聚光器中包括一个以上的光学元件的情况下，优选支撑件将多个光学元件彼此保持为期望的关系。适当地，多个光学元件可以被保持为平面阵列。优选地，支撑件被设置为使得一个或多个光学元件的可以透射和聚集辐射的面积最大化；例如，一个或多个光学元件中的每一个至少有90％的面积可用于透射和聚集入射辐射。适当地，支撑件可包括两个以上的支撑梁，它们在彼此平行的方向上延伸，例如它们的纵向轴线对齐并以规则的间隔分隔开，并且优选它们的近端部彼此对齐并且它们的远端部彼此对齐，使得两个以上的支撑梁限定四边形平面，例如矩形或正方形平面。
优选地，太阳能聚光器还包括支座，其允许调节一个或多个光学元件相对于入射辐射的位置、优选允许一个或多个光学元件被放置成使得入射辐射与一个或多个光学元件的平面正交。适当地，支座可以包括旋转接头。在太阳能聚光器中包括支撑件的情况下，支座被适当地固定至支撑件并且允许调节支撑件的位置。优选地，支座还包括太阳跟踪器，其用于调节一个或多个光学元件相对于入射辐射的位置，以在两小时以上、例如三小时以上、四小时以上、六小时以上，例如八小时以上、例如十二小时以上的时段期间保持入射辐射与一个或多个光学元件的平面正交(或者实际上尽可能接近正交)。
在第四方面中，本发明提供了一种制造太阳能聚光器的方法，其包括以下步骤：
i)提供用于聚集太阳辐射的一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件包括：
第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；以及
位于基板的后表面和/或前表面上的透光有机硅覆层，其中透光有机硅覆层上形成有在使用中使入射在光学元件上的太阳辐射聚集的微结构，并且其中玻璃基板的形成有透光有机硅覆层的(多个)表面被粗糙化；
ii)将一个或多个光学元件设置成使太阳辐射聚集到一个或多个聚焦区；
iii)在每个聚焦区处放置太阳能收集器。
优选地，一个或多个光学元件各自基于本发明的第二方面。优选地，太阳能聚光器基于本发明的第三方面。优选地，所述方法还包括制造一个或多个根据本发明的第一方面的光学元件。在根据本发明的第一方面制造光学元件的情况下，所述方法优选包括根据本发明的第一方面的方法的步骤(e)。在使用根据本发明的第二方面的光学元件并且在透光有机硅覆层的结构化侧上包括保护膜时，所述方法优选还包括在步骤ii)之前去除保护膜的步骤。
在第五方面中，本发明提供了一种制造用于在玻璃基板上成形液态有机硅树脂的模具的方法，其中模具是热塑薄膜，其一个表面上形成有与有机硅覆层采取的在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构相反的微结构，所述方法包括以下步骤：
-提供旋转挤出涂布辊，以使用热塑性材料执行聚合物挤出涂布工艺，该挤出涂布辊在其表面上形成有微结构；
-保持旋转挤出涂布辊的温度低于热塑性材料的凝固温度；
-使载体箔在旋转挤出涂布辊与旋转反压辊之间在与旋转挤出涂布辊的旋转速度对应的给定速度下移动；
-在移动的载体箔与旋转挤出涂布辊之间连续施加热塑性材料的熔体，由此使热塑性熔体在与挤出涂布辊接触时凝固，从而在载体箔上形成固态微结构化热塑性覆层。
所描述的所有特征在它们不会彼此不兼容的情况下可以组合使用。
附图说明
图1示出了本发明的光学元件的示意图。
图2示出了使用中的本发明的光学元件。
图3示出了本发明的光学元件的制造方法的各阶段的示意图。
图4示出了本发明的光学元件的替代实施方式。
图5示出了本发明的光学元件的另一个替代实施方式。
图6示出了本发明的光学元件的另一个替代实施方式。
图7示出了本发明的光学元件的另一个替代实施方式。
图8示出了本发明的光学元件的另一个替代实施方式。
图9示出了根据本发明的太阳能聚光器的示意图。
图10示出了用于在表面上成形液态有机硅树脂的模具的制造方法的示意图。
具体实施方式
在本发明的第二方面中，提供了一种用于聚集电磁辐射的光学元件，其包括：
第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；以及
位于基板的后表面和/或前表面上的透光有机硅覆层；其中该透光有机硅覆层上形成有使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构，并且其中玻璃基板的形成有透光有机硅覆层的(多个)表面被粗糙化。
要通过光学元件聚集的电磁辐射适当地是太阳辐射，优选是太阳光，尤其是可见波长和红外波长的太阳光。
由于玻璃的韧性和UV光稳定性，因此将玻璃用于本发明的透光基板是有利的。另外，玻璃是一种相对耐刮擦的材料，其可以容易地进行清洗来去除可能在使用过程中积聚在表面上的污垢和灰尘。由于这些原因，在本发明的某些实施方式中，玻璃基板在使用中形成光学元件的前(光入射)表面是有利的。然而，在其他实施方式中，优选的是，代替后表面或作为后表面的补充，对玻璃基板的前表面涂覆透光有机硅覆层。本发明人惊奇地发现，透光有机硅覆层对光学元件的前表面所经受的环境条件(例如，UV辐射、风、雨和灰尘)具有足够的抗性，并且对玻璃基板具有足够高的粘附性，使得光学元件的前表面不必是玻璃(例如Rumyantsev所教导的那样，其公开了将玻璃用作有机硅菲涅耳结构化层的覆板)。在某些情况下，特别优选的是玻璃基板的两个表面都涂覆有透光有机硅覆层，因为与仅在玻璃基板的一个表面上具有透光有机硅覆层的类似光学元件相比，这大大增加了使用该光学元件可以实现的偏转角，从而大大缩短了光学元件的焦距，同时保持了该光学元件的轻便、简单和低成本的构造。这个实施方式特别优选用于空气传播的微粒(例如，沙子或泥土)预期对光学元件造成较小磨损的环境中。
用于透光玻璃基板的玻璃可以是能够使要通过光学元件聚集的电磁辐射从其中透过的任何合适的玻璃。优选地，玻璃被选择为透射要通过光学元件聚集的辐射的波长的至少80％、更优选至少90％、例如95％、更优选98％并且最优选至少99％。合适的玻璃可以包括硼硅酸盐玻璃、低铁玻璃、无铁玻璃或浮法玻璃。玻璃可以进行韧化或退火。特别优选使用低铁玻璃或无铁玻璃，因为穿过其中的光的透射率更高，因此提高了光学元件的效率。
考虑到期望收集的太阳能的量、光学元件的位置、预期布置以及可以将面板运输到预期位置的难易程度，玻璃基板可以具有任何合适的尺寸。但是，本发明特别涉及用于商业太阳能聚集的大型光学元件。因此，优选地，玻璃基板的宽度和/或长度的尺寸至少为0.5m，其中基板的前表面和后表面具有四边形形状。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为0.25m2。优选地，玻璃基板的宽度和/或长度至少为0.75m。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为0.5625m2。优选地，玻璃基板的宽度和/或长度至少为1m。优选地，玻璃基板的最小前表面面积为1m2。对于宽度和长度为1m×1m的基板，合适的厚度是2mm至5mm，例如3mm。适当地，玻璃基板的最大面积为4m2，例如宽度为2m并且长度为2m。对于宽度和长度为2m×2m的基板，合适的厚度是6mm至10mm，例如8mm。典型的透镜具有宽度/高度为1000-2000mm的尺寸，在这种情况下，厚度在3mm至8mm之间，使其在自重和风压下是稳定的。优选地，玻璃基板的尺寸为1500mm×1500mm，从而可以根据本发明的第五方面的方法将用于微结构的模具制成所需的尺寸。
优选地，在玻璃基板的前表面和后表面中只有一个设置有透光有机硅覆层的情况下，可以对另一个表面设置抗反射处理结构，以使在使用中通过光学元件聚集在期望物体上的入射光量最大化。多种类型的抗反射处理结构在本领域中是已知的。就本发明而言，需要还允许电磁辐射在其中高度地透射的抗反射处理结构，以获得高效的太阳能聚集。折射率匹配的抗反射处理结构或覆层的折射率介于空气的折射率与玻璃的折射率之间(在本发明的情况下)，因此每个交界面都表现出比空气-玻璃交界面更少的反射。渐变折射率(GRIN)抗反射处理结构或覆层具有几乎连续地变化的折射率，这能够针对较宽的入射光频率范围和较宽的入射角范围减少反射。单层干涉覆层使用折射率等于基板的折射率的平方根的透射材料的单一薄层，其在理论上使得波长等于四倍的覆层厚度的光的反射率为零。对于玻璃，用于单层干涉覆层的常用材料是MgF2或含氟聚合物。多层干涉覆层使用高折射率材料和低折射率材料的交替的层。蛾眼抗反射处理结构或覆层基于蛾眼上的天然纳米结构覆层，其是六边形的凸部图案，各自高度大约为200nm并且中心间距为300nm。由于凸部小于入射光的波长，因此光将表面诠释为在空气与基板之间具有连续的折射率梯度，从而有效地去除了空气-基板交界面。蛾眼结构可以通过几纳米的氧化铁包覆的几百纳米尺寸的氧化钨球体生长而成。
吸收性的抗反射处理结构或覆层不适用于本发明，因为尤其是在目的在于使聚集在聚焦区上的光量最大化的太阳能聚光器的情况下光的吸收会降低光学元件的效率。同样地，圆偏光片在入射光不偏振时将透射光减少约50％，因此不适用于本发明。
由于有机硅可以具有较高的UV透射性以及较高的可见光和红外光透射性，因此用于本发明的光学元件的微结构化透光有机硅覆层被证实是有利的。因此，光学元件可以有效地起作用，从而在吸收引起的损耗最小的情况下聚集电磁辐射。此外，有机硅具有较高的UV光、可见光和红外光稳定性，并且在用于太阳能聚光器时预期与玻璃具有相似的寿命，约为25至30年，甚至更长。这与现有技术中使用的微结构化热塑薄膜相反，其在长时间暴露于UV光、可见光和/或红外光时会劣化，因此必须定期更换以保持所需的性能水平。有机硅也可以具有低吸水率，因此可以避免由于进水而损坏光学元件。因此，本发明人已经认识到，不仅可以在光学元件的后表面上使用透光有机硅层，而且还可以或者替代地在光学元件的前表面上使用透光有机硅层，因为不需要通过玻璃基板保护透光有机硅层免受环境条件的影响。
在选择用于本发明的透光有机硅时，优选的是其应具有较高的透光性，即高透射率，例如在用作根据本发明的透光有机硅覆层时允许入射的UV光和可见光强度的至少90％或至少95％从其中通过，对诸如暴露于UV光、灰尘和其他磨蚀物和水的户外条件具有良好的耐受性并且具有可接受的成本。选择有机硅时还应考虑固化时间和条件。此外，透光有机硅覆层对于太阳能聚光器中光学元件的预期使用条件(通常为-40℃至+50℃，湿度为0至100％)应该是稳定的。已经设计出户外使用的特定有机硅，例如PDMS。由于在整个太阳光谱中的高透光率，特别优选使用从PDMS组成的组中选择的有机硅。
优选地，微结构化透光有机硅覆层是连续的覆层。这确保了模具中所有微结构都完全填充，还降低了有机硅与玻璃之间进水的风险。
使用有机硅的另外的优点是，再次与现有技术的布置相比，由于有机硅能够良好粘附于玻璃，因此不必使用粘合层或粘附促进剂覆层来将微结构化覆层粘附或帮助将微结构化覆层粘附于基板。粘合剂的使用增加了制造的成本和复杂性。此外，粘合剂和粘附促进剂可能易于受到UV或光引起的劣化，并可能使水吸收到光学元件中。因此，避免使用粘合剂或粘附促进剂覆层消除了这些问题。
然而，在光学元件例如为商业太阳能聚光器中所需的大型元件时，在整个基板表面上需要有机硅与玻璃之间高度可靠地粘附。当有机硅覆层设置在光学元件的前表面上并因此在使用中经受风化并经受为了从该元件的前表面上去除灰尘的清洗时，有机硅与玻璃基板之间的粘附性特别重要。另外，当在有机硅层的微结构化表面上设置保护膜以在安装到太阳能聚光器中之前或其他用途之前在运输和储存期间保护微结构时，需要在不破坏有机硅层的完整性的情况下容易地从有机硅层上去除保护膜。当在光学元件的用有机硅涂覆的(多个)表面上不存在保护膜的情况下堆叠这些元件时也可以适用类似的考虑，因为堆叠的一个元件的有机硅层与相邻元件的有机硅层之间或一个元件的有机硅层与相邻元件的基板之间的接触可能导致相邻元件之间的粘附，从而在将堆叠的元件彼此分离时可能损坏有机硅层。
优选地，在有机硅覆层的结构化侧上(即，有机硅覆层的不与玻璃基板接触的那一侧上)设置保护膜。适当地，保护膜是热塑薄膜。适当地，保护膜上形成有微结构，该微结构与形成在有机硅覆层上的微结构相反并且与有机硅覆层上的微结构配合。在使用光学元件之前，将保护膜从光学元件上去除。
当设置了保护膜并且其上形成有与形成在透光有机硅覆层上的微结构相反并与有机硅覆层上的微结构配合的微结构时，由于与有机硅覆层和玻璃基板之间的接触表面积相比热塑薄膜与有机硅覆层之间的接触表面积更大，因此有时发现有机硅覆层与热塑薄膜之间的粘附性比有机硅覆层与玻璃基板之间的粘附性更大。这可能导致热塑薄膜的去除，还导致透光有机硅覆层的去除或部分去除。
因此，在本发明中，为了解决这些问题或潜在的问题，使玻璃基板的要与透光有机硅覆层接触的(多个)表面粗糙化。优选地，通过对玻璃基板的(多个)表面自身进行处理以增加其粗糙度来产生这种粗糙化，例如在其上设置表面纹理，而不是施加具有比玻璃基板表面更高的粗糙度的覆层。适当地，可以通过对玻璃基板的表面进行任何适当的机械处理(例如，喷砂或研磨)来产生粗糙化或纹理化。然而，这些方法难以在玻璃上进行控制，因此优选通过对玻璃基板的表面进行蚀刻来执行粗糙化或纹理化。优选地，通过选择本领域技术人员已知的蚀刻条件进行蚀刻，从而将多孔结构或开口结构蚀刻到基板的表面中。优选地，粗糙化是玻璃基板表面上的纳米结构的形式。总体上，随着纳米结构的高度增加，由于粗糙化的玻璃基板与有机硅覆层之间的接触面积更大，因此提高了有机硅覆层的粘附性。然而，由于具有更大的高度和/或宽度的结构会使穿过玻璃-有机硅交界面的光发生衍射，从而使入射光扩散而不是聚集，因此最优选的是玻璃基板的后表面的表面粗糙度或纹理为最大高度小于1000nm、优选最大高度为500nm、更优选为400nm并且最优选为300nm、最大宽度为400nm、更优选最大宽度为300nm的纳米结构的形式。最优选地，纳米结构的高度为200nm以上，以确保有机硅覆层和基板之间的粘附性与有机硅覆层和未粗糙化的玻璃基板(其通常具有小于5nm的粗糙度，并用作抗反射覆层)之间的粘附性相比得到充分提高。适当地，粗糙度的高度的测量值可以是Rz测量值。因此，粗糙化的表面的Rz值最优选在200nm至400nm的范围内。
优选地，纳米结构的宽度与其高度相同。优选地，纳米结构的实际面积/宏观面积之比至少为1.1，优选至少为1.2，例如至少为1.3、1.4或1.5。优选地，纳米结构的高宽比(即，纳米结构的高度与纳米结构的宽度之比)大于或等于0.5。优选地，纳米结构的高宽比至多为1。可以通过玻璃基板上的抗反射梯度折射率(GRIN)结构来提供合适的表面粗糙化。这具有的额外好处是玻璃-有机硅交界面处的反射会略有减少。另外，在期望在玻璃基板的不会用透光有机硅覆层涂覆的一个表面上设置抗反射处理结构的情况下，从简化光学元件的结构的观点出发，优选在玻璃基板的两侧上都设置相同类型的抗反射处理结构；例如，在只有基板的后表面要设置微结构化透光有机硅覆层的情况下，前表面上的抗反射处理结构起到减少反射的作用，并且后表面上的抗反射处理结构则主要提高了有机硅覆层的粘附性。优选地，在这种情况下，对玻璃基板的前表面和后表面都进行蚀刻，以在其上设置GRIN纳米结构。
在一些实施方式中，光学元件还可以包括第二透光玻璃基板，可以将其放置在第一透光玻璃基板的前方或后方(参考入射光的预期方向)。这些实施方式在光学元件要用于诸如沙漠环境的环境中时是特别优选的，在这种环境中诸如沙子或泥土等空气传播的颗粒对光学元件表面的磨损被认为是导致光学元件磨损的主要原因。优选地，在第一透光玻璃基板的后表面上设置有透光有机硅覆层的情况下，将第二透光玻璃基板放置在第一透光玻璃基板的后方，从而保护有机硅覆层免于被空气传播的颗粒磨损。优选地，在第一透光玻璃基板的前表面上设置有透光有机硅覆层的情况下，将第二透光玻璃基板放置在第一透光玻璃基板的前方，从而再次保护有机硅覆层免于被空气传播的颗粒磨损。可以将第二透光玻璃基板放置为与第一透光玻璃基板接触，或者与第一透光玻璃基板上的透光有机硅覆层接触。经证实第二透光玻璃基板施加在有机硅覆层上的压力不足以引起有机硅覆层的微结构的任何有问题程度的变形。替代地，可以在基板之间设置合适的衬垫，以在它们之间保持期望的间距。在任一种情况下，都可以使用合适的密封剂将第一透光玻璃基板和第二透光玻璃基板之间的空间与周围环境隔离开，以防止空气传播的磨损性颗粒(例如沙子)进入。适当地，可以在第一透光玻璃基板和第二透光玻璃基板之间提供干燥气体，例如干燥惰性气体，以防止在基板之间形成冷凝物。适当地，第二透光玻璃基板通过与第一透光玻璃基板相同的材料形成并且具有相同的上述尺寸；优选地，第一透光基板和第二透光基板由相同的材料形成并且具有相同的尺寸。适当地，第二透光玻璃基板可以在其前表面和/或后表面上具有抗反射覆层，该抗反射覆层优选是以上针对第一透光玻璃基板所述那样。适当地，第二透光玻璃基板还可以在该第二透光玻璃基板的前表面和/或后表面上包括形成有微结构的透光有机硅覆层；优选地，该透光有机硅覆层是以上针对第一透光玻璃基板所述那样。在优选的实施方式中，在第一透光性玻璃基板的后表面上设置有透光有机硅覆层的情况下，第二透光玻璃基板被放置在第一透光玻璃基板的后方并且在前表面上设置透光有机硅覆层。与仅在玻璃基板的一个表面上具有透光有机硅覆层的类似光学元件相比，这种布置提供了使用光学元件可以实现的显著增加的偏转角，因此大大缩短了光学元件的焦距。尽管具有两个基板的这种布置比先前描述的单个基板在两个表面上都具有微结构化有机硅覆层的布置更重并因此生产成本更高，但其具有的优点是玻璃基板保护有机硅覆层免受空气传播的磨损性颗粒的影响，因此这种布置对于空气传播的磨损性颗粒被认为是造成磨损的重要原因的情况(例如，沙漠环境)下的使用是优选的。
在第三方面中，本发明提供了一种太阳能聚光器，其包括至少一个根据本发明的第二方面的光学元件。
适当地，太阳能聚光器可以包括一个以上的根据本发明的光学元件，从而提供用于预期的位置和目的的具有适当尺寸的太阳能聚光器。例如，在例如可以安装在屋顶上的用于家用电力生产的太阳能聚光器的情况下，用于太阳能收集的合适的总面积可以是3m×3m。这可以通过使用3m长度×3m宽度的单个光学元件或各自的长度为0.5m、宽度为0.5m的6×6光学元件阵列或任何其他合适的布置(例如各自的长度为1.5m、宽度为1.5m的2×2光学元件阵列)来提供。在商业太阳能发电的情况下，可能需要更大的有效面积，这可以通过使用较大面积的光学元件和/或将多个光学元件合并到单个太阳能聚光器中和/或使用多个太阳能聚光器来实现。本领域技术人员将理解，对于任何给定的目的，对可制造、运输和安装在太阳能聚光器上的光学元件的最大尺寸将会存在实际和成本上的限制，并且特别是在太阳能聚光器包括可以使其进行对准从而整天有效地接收太阳辐射的装置的情况下，对将会限制太阳能聚光器的有效面积尺寸的可安装在太阳能聚光器上的光学元件的数量和组合重量将会存在实际上的限制。
适当地，太阳能聚光器还包括被定位为接收穿过光学元件并被光学元件聚集的辐射的一个或多个太阳能收集器或接收器。一个或多个太阳能收集器定位在太阳能聚光器中包括的那些或每个光学元件的聚焦区内。因此，可以在太阳能聚光器的每个聚焦区处设置一个或多个太阳能收集器：在太阳能聚光器包括单个光学元件或包括一起用于将辐射聚集到单个聚焦区上的光学元件阵列的情况下，其可以是单个聚焦区，或者，在太阳能聚光器包括所具有的菲涅耳微结构导致入射辐射被聚集到多个聚焦区上的单个光学元件的情况下或者在太阳能聚光器包括各自用于将入射辐射聚集到对应的聚焦区上的多个光学元件情况下，其可以是多个聚焦区。太阳能收集器可以各自从光伏电池或被设置为通过入射的太阳辐射加热并将热传递至传热流体的热交换器从选择。在太阳能收集器是光伏电池的情况下，可以设置适当的布线和电路将光伏电池产生的电能传递至电能的合适的消耗物或储存介质，例如家用电路或电池。在太阳能收集器是热交换器的情况下，可以设置合适的导管将传热流体输送到热能的消耗物或热能的储存介质，例如蒸汽发生器或散热器。
优选地，太阳能聚光器还包括用于一个或多个光学元件的支撑件，该支撑件将一个或多个光学元件保持在期望的取向上，并且其在太阳能聚光器中包括一个以上的光学元件的情况下将多个光学元件彼此保持为期望的关系。例如，多个光学元件可以被保持为平面阵列。优选地，支撑件被设置为使得一个或多个光学元件的可以透射和聚集辐射的面积最大化；例如，一个或多个光学元件中的每一个至少有90％的面积可用于透射和聚集入射辐射。适当地，支撑件可包括两个以上的支撑梁，它们在彼此平行的方向上延伸，例如它们的纵向轴线对齐并以规则的间隔分隔开，并且优选它们的近端部彼此对齐并且它们的远端部彼此对齐，使得两个以上的支撑梁限定四边形平面，例如矩形或正方形平面。
优选地，太阳能聚光器还包括支座，其允许调节一个或多个光学元件相对于入射辐射的位置、优选允许一个或多个光学元件被放置成使得入射辐射与一个或多个光学元件的(多个)基板的平面正交。适当地，支座可以包括旋转接头。在太阳能聚光器中包括支撑件的情况下，支座被适当地固定至支撑件并且允许调节支撑件的位置。优选地，支座还包括太阳跟踪器，其用于调节一个或多个光学元件相对于入射辐射的位置，以在两小时以上、例如三小时以上、四小时以上、六小时以上，例如八小时以上、例如十二小时以上的时段期间保持入射辐射与一个或多个光学元件的(多个)基板的平面正交(或者实际上尽可能接近正交)。
在本发明的第一方面中，提供了一种制造用于聚集电磁辐射的光学元件的方法，其包括以下步骤：
(a)提供第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；
(b)将液态有机硅树脂施加到玻璃基板的后表面和/或前表面上；
(c)使液态有机硅树脂与模具接触，使得液态有机硅树脂采取模具的形状并且形成在玻璃基板的施加有液态有机硅树脂的(多个)表面上延伸的微结构；
(d)使液态有机硅树脂固化，以形成微结构化透光有机硅覆层。
其中玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面被粗糙化。
优选地，模具的形状在步骤(c)中使得液态有机硅树脂采取在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构。
适当地，通过所述方法制造的光学元件是根据本发明的第二方面的光学元件。因此，在本发明的第二方面中提到的(多个)透光玻璃基板、(多个)基板的(多个)表面的粗糙化或纹理化和(多个)透光有机硅覆层的优选特征在本发明的当前方面中也是优选的。
适当地，所述方法还可以包括在步骤(c)之前制造根据本发明的第五方面的模具的方法。
适当地，液态有机硅树脂是适合于浇铸的液态有机硅树脂。优选地，如下面关于步骤(d)所讨论的那样，液态有机硅树脂能够通过以适当方式组合的加热和时间的组合而被固化。在本发明的第三方面的描述中给出了用于透光有机硅覆层的优选有机硅的细节，并且在本发明的当前方面中也是优选的。
优选地，步骤(a)还包括对玻璃基板的要在步骤(b)中施加液态有机硅树脂的(多个)表面进行粗糙化或纹理化以提供(多个)粗糙化表面的步骤。优选地，粗糙化步骤包括处理玻璃基板自身的表面以增加其粗糙度，而不是施加具有比玻璃基板更高的粗糙度的覆层。适当地，可以通过对玻璃基板的表面施加任何适当的机械处理(例如，喷砂或研磨)来进行粗糙化。然而，这些方法难以在玻璃上进行控制，因此优选通过对玻璃基板的表面进行蚀刻来进行粗糙化，优选使得将多孔结构或开口结构蚀刻到基板的表面中。优选地，粗糙化是在玻璃基板的(多个)表面上形成的纳米结构的形式。优选地，玻璃基板的(多个)表面的表面粗糙化为纳米结构的形式，其高度小于1000nm，优选为800nm，更优选为600nm，更优选为500nm，更优选为400nm，最优选为300nm。优选地，纳米结构的高度为50nm以上，优选为100nm以上，最优选为200nm以上。适当地，粗糙度的高度的测量值可以是Rz测量值。因此，粗糙化表面的Rz值优选在50nm至800nm的范围内，更优选为100nm至600nm，最优选为200nm至400nm。优选地，纳米结构化步骤包括在玻璃基板的(多个)表面上设置GRIN抗反射处理结构。
替代地，在步骤(a)中，可以提供已经包括粗糙化的前表面和/或后表面、优选包括具有如上所述的纳米结构的前表面和/或后表面的透光玻璃基板。
优选地，在玻璃基板只有一个表面要在步骤(b)中涂覆液态有机硅树脂的情况下，给玻璃基板的另一个表面设置抗反射处理结构或覆层。适当地，在步骤(a)之后并且在步骤(b)之前，所述方法还包括在玻璃基板的不会在步骤(b)中施加液态有机硅树脂的表面上施加抗反射处理结构或覆层的步骤。参照本发明的第一方面描述了合适的抗反射处理结构或覆层。替代地，在步骤(a)中，可以提供在不会在步骤(b)中施加液态有机硅树脂的表面上已经包括抗反射处理结构或覆层(优选是如上所述的抗反射处理结构)的透光玻璃基板。
在步骤(b)中，可以通过本领域已知的用于在表面上设置液体层的任何合适的方法进行液态有机硅树脂的施加。例如，可以使用旋涂(在基板尺寸允许的情况下)或刮涂。然而，优选地，可以例如通过喷嘴将液态有机硅树脂的一个或多个液滴、汇集物或区块施加到表面上，但在施加的步骤期间该一个或多个液滴、汇集物或区块不主动铺开形成连续的层。当然，根据液态有机硅树脂的粘度及其润湿玻璃基板的表面的能力，液态有机硅树脂可主动地在一定程度上铺开。
在步骤(c)中，模具可以采取任何合适的形式或由任何合适的材料制成，以将液态有机硅树脂形成为在玻璃基板的后表面上延伸的覆层，该覆层采取模具的形状。模具还必须承受固化步骤(d)中使用的条件，因为模具需要保持在适当位置，直到液态有机硅树脂固化为止。例如，模具可以是压模或结构化辊。模具可以由塑料材料、金属、玻璃或陶瓷制成，并且可以是柔性的或刚性的。模具的宽度和长度优选等于或超过透光玻璃基板的宽度和长度，从而可以使用单个模具对基板的整个表面涂覆微结构化透光有机硅覆层。
在使用结构化辊作为模具的情况下，需要将液态有机硅树脂、辊的温度和辊的旋转速度选择为使液态有机硅树脂能够填充辊的结构并涂覆玻璃基板并且随后进行固化，以使其在结构化辊与玻璃基板上的有机硅层保持接触的所有时间内都保持其结构化形状。
优选地，模具是热塑薄膜，其一个表面上形成有微结构，该微结构与透光有机硅覆层采取的在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构相反。优选地，热塑薄膜是柔性的，例如使得其可以在固化之后从有机硅覆层的表面上剥离。就此而言，优选地，热塑薄膜是聚丙烯薄膜或聚乙烯薄膜，并且优选热塑薄膜的厚度为40μm至200μm。在使用热塑薄膜的情况下，优选仅将其用于单个成型步骤(c)。
在模具是热塑薄膜的情况下，优选地，在步骤(c)中，液态有机硅树脂与模具的接触包括使形成有微结构的热塑薄膜表面压住液态有机硅树脂，以使液态有机硅树脂采取微结构的形状。优选地，步骤(c)还包括将热塑薄膜与透光玻璃基板对准，以使热塑薄膜叠置在玻璃基板上并且整个基板都涂覆有微结构化透光有机硅覆层。然而，在某些情况下可以想到可能期望不在基板的整个区域上设置微结构，例如在基板边缘周围留下没有微结构的边界。在这些情况下，可以使用面积小于基板的模具，或者可以使用仅部分地被微结构覆盖的模具。优选地，使热塑薄膜压住液态有机硅树脂还使液态有机硅树脂铺开，以形成在玻璃基板的后表面上延伸的连续的覆层。优选地，使用压辊使热塑薄膜压住液态有机硅树脂。在使用压辊的情况下，其宽度优选等于或超过透光玻璃基板的宽度，从而可以在基板的整个宽度上施加均匀的压力。优选地，沿基板的整个长度以均匀的压力施加压辊，以使液态有机硅树脂在基板的整个区域上被图案化并均匀地铺开。
在步骤(d)中，可以通过适用于所选的液态有机硅并且基板和模具能够承受的任何合适的固化方法来执行固化；例如，固化可以包括UV曝光、加热、时间或它们的组合。然而，优选地，使用加热和时间的组合来执行固化。例如，对于所选的液态有机硅树脂，固化条件可以是在环境温度(例如，20℃)下24小时，在40℃下10小时或在70℃下1小时。本领域技术人员将理解，对于给定的树脂，可以根据工艺要求在固化温度和固化时间之间找到平衡；例如，合适的加热设备的可用性或可用的固化时间。优选地，固化不包括使用UV辐射来引发固化过程。
在固化步骤(d)之后并且在模具为压模、热塑薄膜或其他合适的形式的情况下，可以使模具在经固化的透光有机硅覆层上留在原位，以在覆层用作光学元件之前充当其保护层。这在如上所述的模具是热塑薄膜的情况下是特别优选的。
在期望在玻璃基板的前表面和后表面上都设置微结构化透光有机硅覆层的情况下，可以将所述方法的步骤(b)、(c)和(d)执行两次，一次用于前表面并且另一次用于后表面；或者将步骤(b)和(c)进行两次，一次用于前表面并且另一次用于后表面，然后执行步骤(d)来固化两个有机硅覆层；或者对玻璃基板的前表面和后表面都执行步骤(b)，然后在前表面和后表面上都执行步骤(c)，然后在前表面和后表面上都执行步骤(d)。
优选地，所述方法还包括以下步骤：
(e)从微结构化透光有机硅覆层上去除模具。
优选地，其中模具为如上所述的热塑薄膜的去除步骤(e)包括将热塑薄膜从有机硅覆层上剥离。
如以上针对本发明的第二方面所述那样，并且特别是在模具是微结构化热塑薄膜并用作要在使用前从透光有机硅覆层上去除的保护层的情况下，使玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的(多个)表面粗糙化，以确保有机硅覆层与玻璃基板之间的粘附性大于有机硅覆层与热塑薄膜之间的粘附性，从而确保热塑薄膜的去除不会导致有机硅覆层从玻璃基板上去除或部分去除。
如以上针对本发明的第二方面所述那样，光学元件还可以包括第二透光玻璃基板，其可以在其一个或两个表面上设置透光有机硅覆层。在设置第二基板的情况下，基于本发明的第一方面的方法形成表面粗糙化和/或(多个)透光有机硅覆层(在设置的情况下)。然后，将两个具有所需覆层的透光玻璃基板彼此叠置并且固定在一起，使它们彼此接触或通过放置在基板之间并且附接或固定至基板的衬垫处于彼此间隔开的关系。在将光学元件的(多个)透光有机硅覆层由此放置在两个基板之间的情况下，应理解的是必须在将基板叠置并将它们彼此固定之前执行从(多个)微结构化透光有机硅覆层上去除模具的步骤(e)。如技术人员已知的那样，可以使用合适的密封剂来防止环境气氛进入两个基板之间，并且两个基板之间的区域可以用干燥气体(例如，干燥惰性气体)填充。
在本发明的第四方面中，提供了一种制造太阳能聚光器的方法，其包括以下步骤：
i)提供用于聚集太阳辐射的一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件包括：
透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与前表面相对的后表面；以及
位于基板的后表面和/或前表面上的透光有机硅覆层，其中透光有机硅覆层上形成有在使用中使入射在光学元件上的太阳辐射聚集的微结构，并且其中玻璃基板的形成有透光有机硅覆层的(多个)表面被粗糙化；
ii)将一个或多个光学元件设置成使太阳辐射聚集到一个或多个聚焦区；
iii)在每个聚焦区处放置太阳能收集器。
优选地，一个或多个光学元件各自基于本发明的第二方面。优选地，太阳能聚光器基于本发明的第三方面。优选地，所述方法还包括制造一个或多个根据本发明的第一方面的光学元件。在根据本发明的第一方面制造光学元件的情况下，所述方法优选包括根据本发明的第一方面的方法的步骤(e)。在使用根据本发明的第二方面的光学元件并且在透光有机硅覆层的结构化侧上包括保护膜时，所述方法优选还包括在步骤ii)之前去除保护膜的步骤。
在第五方面中，本发明提供了一种制造用于在光学元件的玻璃基板上成形液态有机硅树脂的模具的方法，其中模具是热塑薄膜，其一个表面上形成有与液态有机硅树脂采取的在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构相反的反向微结构，所述方法包括以下步骤：
-提供旋转挤出涂布辊，以使用热塑性材料执行聚合物挤出涂布工艺，该挤出涂布辊在其表面上形成有微结构；
-保持旋转挤出涂布辊的温度低于热塑性材料的凝固温度；
-使载体箔在旋转挤出涂布辊与旋转反压辊之间在与旋转挤出涂布辊的旋转速度对应的给定速度下移动；
-在移动的载体箔与旋转挤出涂布辊之间连续施加热塑性材料的熔体，由此使热塑性熔体在与挤出涂布辊接触时凝固，从而在载体箔上形成固态微结构化热塑性覆层。
适当地，挤出涂布辊是包覆有形成有微结构的金属母模(例如，镍套)的钢制冷却辊。替代地，可以通过将微结构压印在传统挤出涂布辊的表面上来形成微结构。优选地，微结构是菲涅耳微结构，例如部分圆形的菲涅耳透镜微结构。可以使用任何合适的方法在金属母模中形成微结构，例如单点金刚石车削。适当地，可以通过任何合适的冷却方法来冷却挤出涂布辊和/或反压辊，例如使水或其他冷却剂流体循环通过辊的内部。
适当地，载体箔是具有足够高的软化温度的热塑性箔，以使得熔融聚合物在其上的挤出不会引起载体箔的软化或变形。合适的载体箔材料是PET(聚对苯二甲酸乙二酯)或尼龙。优选地，载体箔是PET(聚对苯二甲酸乙二酯)。适当地，载体箔的厚度为12μm至75μm，例如50μm。
适当地，热塑性材料是软化温度充分低于载体箔的软化温度的热塑性聚合物，使得可以将熔融的热塑性聚合物施加到载体箔上，而不会引起载体箔的软化或变形。合适的热塑性材料包括聚乙烯、聚丙烯或离聚物树脂，例如
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优选地，热塑性材料是聚丙烯。适当地，施加到移动的载体箔上的热塑性材料的熔体的厚度为10至80μm，优选为30μm至60μm，例如45μm。
适当地，模具、因此载体箔的宽度与要应用模具的玻璃基板相同。因此，以上关于玻璃基板讨论的宽度尺寸对于模具和载体箔也是优选的。
由于在本发明的某些方面中优选不仅仅将模具用作模具而且还用作在将光学元件安装在太阳能聚光器中之前在储存和运输期间保护微结构化有机硅覆层的保护膜，因此优选考虑到这一目的来选择特别是用于载体箔的材料，并且在某种程度上还选择热塑性材料。因此，当模具留在原位作为保护膜时，暴露于周围环境的载体箔应耐刮擦和耐磨，以确保有机硅覆层与模具进行这样的接触而不受损伤。因此，优选载体箔是PET。
图1描绘了本发明的光学元件10的实施方式。光学元件10包括透光玻璃基板20，其由无铁玻璃形成并且厚度为5mm，长度和宽度为1500mm。透光玻璃基板20设置有抗反射纳米结构覆层40和50。相对于箭头60所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层40设置在透光玻璃基板20的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层50设置在透光玻璃基板20的前表面上。抗反射纳米结构覆层40和50是Rz值为300nm、高宽比为0.75且实际面积/宏观面积之比为1.5的渐变折射率覆层，并且可以通过对透光玻璃基板20的表面进行蚀刻来提供。在透光玻璃基板20的后表面上，与抗反射纳米结构覆层40接触地设置具有微结构化表面的PDMS的透光有机硅覆层30，其中微结构是菲涅耳微结构35。
在使用中，太阳光沿箭头60的方向入射在光学元件10上。图2示出了使用中的光学元件10，其中入射的太阳光45垂直于透光玻璃基板20的前表面，并且在没有折射的情况下穿过抗反射纳米结构覆层50、透光玻璃基板20、抗反射纳米结构覆层40并进入微结构化透光有机硅覆层30。当入射的太阳光45到达有机硅覆层30的后表面处的菲涅耳微结构35时，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于光学元件的后表面处的有机硅与空气之间的折射率变化而被折射。因此，聚集光55以与入射光45进入有机硅覆层30的角度不同的角度离开光学元件10的后表面。光在穿过光学元件时的折射用于将光聚集到设置有用于接收聚集光的太阳能收集器(未被示出)的聚焦区。
转到图3，该附图示出了根据本发明的制造方法的实施方式制造本发明的光学元件的实施方式。
图3A与本发明方法的步骤(a)有关，并且示出了分别在后表面和前表面上具有抗反射纳米结构覆层40和50的透光玻璃基板20。
图3B与本发明方法的步骤(b)有关。将液态有机硅树脂70的液滴或汇集物施加到透光玻璃基板20的后表面上，与基板20的后表面上的抗反射纳米结构覆层40接触。在该阶段，不采取主动步骤将液态有机硅树脂70的液滴或汇集物在基板20上铺开形成连续覆层。
图3C与本发明方法的步骤(c)有关。将尺寸与透光玻璃基板20相同并且在一个表面上具有与要在光学元件上形成的菲涅耳微结构相反的菲涅耳微结构85的热塑薄膜80形式的模具放置成与液态有机硅树脂70的液滴或汇集物接触，并且热塑薄膜80的边缘与透光玻璃基板20的边缘对齐。将宽度等于或超过透光玻璃基板20和热塑薄膜80的宽度的压辊90放置成与热塑薄膜80的非结构化表面(即，热塑薄膜80的不与液态有机硅树脂70的液滴或汇集物接触的一侧)接触并且使热塑薄膜80压住透光玻璃基板20，从而使液态有机硅树脂70的液滴或汇集物在透明玻璃基板20的后表面上铺开以涂覆后表面，并且还使液态有机硅树脂70采取形成在热塑薄膜80上的微结构的形状。沿着透光玻璃基板20的长度(如图3C所示从左到右)滚动压辊90，以连续地将热塑薄膜80的区域挤压成与液态有机硅树脂70接触并压住透光玻璃基板20，直到整个热塑薄膜80在透光玻璃基板20上延伸并且液态有机硅树脂70在热塑薄膜80和透光玻璃基板20之间铺开并填充热塑薄膜80的微结构85从而采取它们的形状为止。
图3D与本发明方法的步骤(d)有关。使透光玻璃基板20、液态有机硅树脂70和热塑薄膜80的组件经受适于液态有机硅树脂70的固化条件，例如在40℃下加热10小时。在此期间，液态有机硅树脂70固化并凝固，永久地采取热塑薄膜80的菲涅耳微结构85的形状，从而形成具有菲涅耳微结构35的透光有机硅覆层30。
可以在固化步骤之后使热塑薄膜80与透光有机硅覆层30保持接触，以起到保护膜的作用，直到将光学元件10结合到太阳能聚光器中或以其他方式投入使用时为止。那时，可以将热塑薄膜80从透光有机硅覆层30上剥离并丢弃或再利用。
图4描绘了本发明的光学元件410的替代实施方式。光学元件410包括透光玻璃基板420。透光玻璃基板420设置有抗反射纳米结构覆层440和450。相对于箭头445所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层440设置在透光玻璃基板420的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层450设置在透光玻璃基板420的前表面上。在透光玻璃基板420的前表面上，与抗反射纳米结构覆层450接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层430，其中微结构是菲涅耳微结构435。
在使用中，太阳光沿箭头445的方向入射在光学元件410上。图4示出了使用中的光学元件410，其中入射的太阳光445垂直于透光玻璃基板420的前表面，并且穿过微结构化透光有机硅覆层430、抗反射纳米结构覆层450、透光玻璃基板420和抗反射纳米结构覆层440。当入射的太阳光445入射在有机硅覆层430的前表面处的菲涅耳微结构435上时，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于光学元件的前表面处的有机硅层与空气之间的折射率变化而被折射。太阳光随后由于有机硅覆层430和透光基板420的接合处以及透光基板420和周围环境的接合处的折射率变化而被折射。因此，聚集光455以与入射光445进入有机硅覆层430的角度不同的角度离开光学元件410的后表面。光在穿过光学元件时的折射用于将光聚集到设置有用于接收聚集光的太阳能收集器(未被示出)的聚焦区。
图5描绘了本发明的光学元件510的另一替代实施方式。光学元件510包括透光玻璃基板520。透光玻璃基板520设置有抗反射纳米结构覆层540和550。相对于箭头545所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层540设置在透光玻璃基板520的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层550设置在透光玻璃基板520的前表面上。在透光玻璃基板520的前表面上，与抗反射纳米结构覆层550接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层530，其中微结构是菲涅耳微结构535。类似地，在透光玻璃基板520的后表面上，与抗反射纳米结构覆层540接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层570，其中微结构是菲涅耳微结构575。
在使用中，太阳光沿箭头545的方向入射在光学元件510上。图5示出了使用中的光学元件510，其中入射的太阳光545垂直于透光玻璃基板520的前表面，并且穿过微结构化有机硅覆层530、抗反射纳米结构覆层550、透光玻璃基板520、抗反射纳米结构覆层540和微结构化有机硅覆层570。当入射的太阳光545入射在有机硅覆层530的前表面处的菲涅耳微结构535上时，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于光学元件的前表面处的有机硅与空气之间的折射率变化而被折射。太阳光随后由于有机硅覆层530和透光基板520的接合处、透光基板420和微结构化有机硅覆层570的接合处的折射率变化而被折射。在通过微结构575离开微结构化有机硅覆层570的后表面时，太阳光再次以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被折射，并且还由于光学元件的后表面处的有机硅与空气之间的折射率变化而被折射。因此，聚集光555以与入射光545进入有机硅覆层530的角度不同的角度离开光学元件510的后表面。光在穿过光学元件时的折射用于将光聚集到设置有用于接收聚集光的太阳能收集器(未被示出)的聚焦区。本发明的这个实施方式提供了入射光的高度折射，同时使光学元件的重量和成本最小化。
图6描绘了本发明的光学元件610的替代实施方式。光学元件610包括第一透光玻璃基板620。第一透光玻璃基板620设置有抗反射纳米结构覆层640和650。相对于箭头645所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层640设置在第一透光玻璃基板620的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层650设置在第一透光玻璃基板620的前表面上。在第一透光玻璃基板620的前表面上，与抗反射纳米结构覆层650接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层630，其中微结构是菲涅耳微结构635。另外，光学元件包括第二透光玻璃基板660，其介于透光有机硅覆层630与入射光645之间，即，与透光有机硅覆层630接触地放置在第一透光玻璃基板620的前方，但是为清楚起见在图中将元件660和630表示为间隔开。第二透光玻璃基板660可以在前表面和/或后表面上设置(多个)抗反射覆层(未被示出)。
在使用中，太阳光沿箭头645的方向入射在光学元件610上。图6示出了使用中的光学元件610，其中入射的太阳光645垂直于第二透光玻璃基板660的前表面，并且在没有折射的情况下穿过第二透光玻璃基板660，随后穿过微结构化透光有机硅覆层630、抗反射纳米结构覆层650、第一透光玻璃基板620和抗反射纳米结构覆层640。当入射的太阳光645入射在有机硅覆层630的前表面处的菲涅耳微结构635上时，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于光学元件的前表面处的有机硅层与空气之间的折射率变化而被折射。太阳光随后由于有机硅覆层630和第一透光基板620的接合处以及第一透光基板620和周围环境的接合处的折射率变化而被折射。因此，聚集光655以与入射光645进入有机硅覆层630的角度不同的角度离开光学元件610的后表面。光在穿过光学元件时的折射用于将光聚集到设置有用于接收聚集光的太阳能收集器(未被示出)的聚焦区。第二透光玻璃基板660的存在用于保护微结构化透光有机硅覆层630免受入射在光学元件的前表面上的空气传播颗粒的磨损。
图7描绘了本发明的光学元件710的另一替代实施方式。光学元件710包括第一透光玻璃基板720。第一透光玻璃基板720设置有抗反射纳米结构覆层740和750。相对于箭头745所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层740设置在第一透光玻璃基板720的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层750设置在第一透光玻璃基板720的前表面上。在第一透光玻璃基板720的后表面上，与抗反射纳米结构覆层740接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层730，其中微结构是菲涅耳微结构735。另外，光学元件包括第二透光玻璃基板760，其与透光有机硅覆层730接触地放置在第一透光玻璃基板720的后侧，但是为清楚起见在图中将元件760和730表示为间隔开。第二透光玻璃基板760可以在前表面和/或后表面上设置(多个)抗反射覆层(未被示出)。
在使用中，太阳光沿箭头745的方向入射在光学元件710上。图7示出了使用中的光学元件710，其中入射的太阳光745垂直于第一透光玻璃基板720的前表面，并且在没有折射的情况下穿过抗反射纳米结构覆层750、第一透光玻璃基板720、抗反射纳米结构覆层740并进入微结构化透光有机硅覆层730。当入射的太阳光745到达有机硅覆层730的后表面处的菲涅耳微结构735时，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于光学元件的后表面处的有机硅与空气之间的折射率变化而被折射。然后，折射光穿过第二透光玻璃基板760，并且由于第二透光玻璃基板760的前表面处的玻璃与空气之间的折射率变化以及光学元件710的后表面处的玻璃与空气之间的折射率变化而经历折射。因此，聚集光755以与入射光745进入有机硅覆层730的角度不同的角度离开光学元件710的后表面。光在穿过光学元件时的折射用于将光聚集到设置有用于接收聚集光的太阳能收集器(未被示出)的聚焦区。第二透光玻璃基板760的存在用于保护微结构化透光有机硅覆层730免受入射在光学元件的后表面上的空气传播颗粒的磨损。
图8描绘了本发明的光学元件810的另一替代实施方式。光学元件810包括第一透光玻璃基板820。第一透光玻璃基板820设置有抗反射纳米结构覆层840和850。相对于箭头845所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层840设置在第一透光玻璃基板820的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层850设置在第一透光玻璃基板820的前表面上。在第一透光玻璃基板820的后表面上，与抗反射纳米结构覆层840接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层830，其中微结构是菲涅耳微结构835。另外，光学元件包括放置在第一透光玻璃基板820的后侧的第二透光玻璃基板860。第二透光玻璃基板860设置有抗反射纳米结构覆层870和880。相对于箭头845所示的使用中的电磁辐射入射的方向，抗反射纳米结构覆层870设置在第二透光玻璃基板860的后表面上，并且抗反射纳米结构覆层880设置在第二透光玻璃基板860的前表面上。在第二透光玻璃基板860的前表面上，与抗反射纳米结构覆层880接触地设置具有微结构化表面的透光有机硅覆层890，其中微结构是菲涅耳微结构895。透光有机硅覆层890与透光有机硅覆层830接触地放置，但是为清楚起见在图中将元件890和830表示为间隔开。
在使用中，太阳光沿箭头845的方向入射在光学元件810上。图8示出了使用中的光学元件810，其中入射的太阳光845垂直于第一透光玻璃基板820的前表面，并且在没有折射的情况下穿过抗反射纳米结构覆层850、第一透光玻璃基板820、抗反射纳米结构覆层840并进入微结构化透光有机硅覆层830。当入射的太阳光845到达有机硅覆层830的后表面处的菲涅耳微结构835时，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于光学元件的后表面处的有机硅与空气之间的折射率变化而被折射。然后，折射光入射在有机硅覆层890的前表面处的菲涅耳微结构895上，太阳光以菲涅耳倾角的两倍角度(相对于法线)被微结构折射，并且还由于空气与有机硅层890之间的折射率变化而被折射。光随后由于有机硅覆层890和第二透光基板860的接合处以及第二透光基板860和周围环境的接合处的折射率变化而被折射。因此，聚集光855以与入射光845进入有机硅覆层830的角度不同的角度离开光学元件810的后表面。光在穿过光学元件时的折射用于将光聚集到设置有用于接收聚集光的太阳能收集器(未被示出)的聚焦区。分别具有面对的微结构化有机硅覆层的两个基板的布置用于提供入射光的高度折射，同时还保护微结构化有机硅覆层免受入射在光学元件的前表面和后表面上的空气传播颗粒的磨损。
图9示出了本发明的太阳能聚光器的实施方式。太阳能聚光器100包括用于光学元件120、125、130、135、140、145、150和155的支撑件110。光学元件120、125、130、135、140、145、150和155各自都是能够将电磁辐射分别聚集在接收器或太阳能收集器210、215、220、225、230、235、240、245上的平面矩形透光片。光学元件是以上关于图1和图2所述那样，并且被安装在支撑件110上，使得光学元件的后表面与支撑件110接触。
支撑件110包括五个支撑梁160，它们各自具有相同的长度和矩形横截面，各自在彼此平行的方向上延伸，其中它们的纵向轴线对齐并以规则的间距间隔开，它们的远端部161彼此对齐并且它们的近端部162彼此对齐，使得五个支撑梁共同限定矩形平面，在该矩形平面的前表面(即，使用中光入射在其上的表面)上，光学元件120、125、130、135、140、145、150和155被安装为平面矩形布置，在这种情况下为2×4阵列。安装是通过靠在支撑梁和光学元件的顶表面上的夹具进行的，它们被拧紧在一起，在夹具板和光学元件之间具有橡胶垫圈以保护玻璃基板免受夹具施加的力的影响。支撑梁160自身通过具有矩形横截面的安装梁170从支撑梁160所限定的矩形平面的后表面开始并在它们的长度的中点处进行支撑，该安装梁与支撑梁交叉放置，并且在该安装梁上通过安装梁上的被拧紧到支撑梁上的托架以规则的间隔安装支撑梁。安装梁170自身被支撑在安装柱180上，该安装柱的上端部(如所示)通过旋转接头190可动地附接至安装梁170的纵向中点，从而允许调节支撑梁160所限定的矩形平面相对于安装有安装柱180的表面的角度。旋转接头190允许在高度和方位角两个方向上跟踪太阳。安装柱180的下端部(如所示)被安装在期望放置太阳能收集器的表面上，例如地面上或屋顶上。
四个接收器安装支撑件250也被支撑在安装梁170上。它们各自采取两个矩形横截面梁的形式，这些梁接合形成T形。每个接收器安装支撑件250都用于支撑两个接收器210和230、215和235、220和240、225和245，使得每个接收器都相应地被保持在对应的光学元件120和140、125和145、130和150、135和155的聚焦区中。因此，每个接收器都借助于被拧紧在梁和接收器上的托架而安装在形成T形的横线的梁的两个远端部处。每个T形接收器安装支撑件250的第三端部都接合至安装梁170，使得保持有接收器210、215、220、225、230、235、240和245的平面平行于光学元件120、125、130、135、140、145、150和155的阵列形成的平面。
接收器210、215、220、225、230、235、240和245各自都是吸收聚集的太阳光以将其转换成热量的热交换器。流体在热交换器中循环并被入射的阳光加热。接收器通过导管275串联连接，该导管传送循环的流体通过热交换器，以允许流体被加热。然后，流体被传送通过导管连接点260，其自身可以连接至蓄热器，或者连接至需要热能的设备，例如蒸汽轮机、吸收式冷却器或热脱盐设备。
在使用中，调节旋转接头190，以使光学元件阵列的平面可以接收与阵列平面正交的入射的太阳光280。入射的太阳光280透过光学元件120、125、130、135、140、145、150和155并聚集到接收器210、215、220、225、230、235、240和245中的每一个上。在此，聚集的太阳光290通过热交换接收器转换成热量，如此产生的热量通过导管275输送到导管连接点260，并在此处被输送到需要热量的设备或合适的储存器(未被示出)。旋转接头可以设置有太阳跟踪器(未被示出)，其用于保持光学元件阵列的平面与入射的太阳光280正交或者实际上尽可能接近正交，以使太阳能收集器对太阳能的收集效率最大化。
图10描绘了微结构化热塑薄膜80形式的用于在玻璃基板的表面上成形液态有机硅树脂的模具的制造。制造设备300包括：放卷辊310，其上缠绕有载体箔320；反压辊330，其与包覆有金属母模的结构化辊340相对，在该金属母模上通过单点金刚石车削形成有部分圆形的菲涅耳透镜微结构350；喷嘴360，其用于将聚合物熔体370递送到载体膜320的表面上；以及卷绕辊380，微结构化热塑薄膜80在制造之后被卷绕在其上。将反压辊330和结构化辊340定位成在它们之间形成有辊隙390，载体箔320和聚合物熔体370可以穿过其中。
在使用中，适当地具有50μm厚度的载体箔320(例如，PET载体箔)从放卷辊310上展开、在喷嘴360下方经过并穿过反压辊330和结构化辊340之间的辊隙390，并附接至卷绕辊380。将诸如聚丙烯的热塑性聚合物的珠粒或粒料装入挤出机(未被示出)、加热并通过喷嘴360挤出，以形成聚合物熔体370，其在辊隙390的上游在载体箔320上形成适当地具有60μm厚度的层。同时，将载体箔320从放卷辊310上展开并缠绕到卷绕辊380上，从而使载体箔320以选定的速度穿过辊隙390移动，并且将聚合物熔体370以选定的挤出速率挤出到辊隙390上游的载体箔320上，使得聚合物熔体370在穿过辊隙390时被支撑在载体箔320上。聚合物熔体370穿过辊隙390的运动导致聚合物熔体压住形成在结构化辊340的表面上的微结构350并采取微结构350的形状。为了帮助该结构化步骤，将结构化辊340和/或反压辊330保持在低于聚合物熔体的凝固温度的温度下，使得聚合物熔体370具有足够的流动性来采取微结构350的形状，但是具有足够的黏性以在熔体已经穿过辊隙390并且不再与结构化辊340的微结构350接触之后保持微结构350的形状。在辊隙390的下游，载体箔320和微结构化聚合物熔体一起形成微结构化热塑薄膜80。适当地，可以在辊隙390的下游(即，在卷绕辊380的方向上)设置主动冷却装置(未被示出)，以加速微结构化聚合物熔体的凝固。
实施例
实施例1
将厚度为50μm的PET载体箔从放卷辊穿过反压辊与在金属表面上形成有部分圆形的菲涅耳透镜微结构的挤出涂布辊之间的辊隙进行卷绕并附接至卷绕辊。将聚丙烯珠粒装入挤出机，加热直至熔化，并且通过挤出机喷嘴挤出到辊隙上游的载体箔上，以形成厚度为60μm的熔融聚丙烯层。然后，载体箔和熔融聚丙烯层穿过辊隙，在其中保持在低于聚丙烯的凝固温度的温度下的挤出涂布辊的微结构化表面与熔融聚丙烯层接触并使其采取微结构的形状并转变为固体，从而生产出支撑微结构化固态聚丙烯层的PET载体箔形式的模具，其缠绕到卷绕辊上以进行储存，直到需要时为止。
需要时，将模具从卷绕辊上展开，然后送入辊对板层压设备中。将厚度为4mm且在两个表面上均具有高度为300nm且高宽比为0.75的GRIN纳米结构的浮法玻璃基板装入辊对板层压设备中。使用喷嘴将液态PDMS有机硅树脂的一系列液滴以规则的间隔施加在玻璃基板的上表面上，以在基板的上表面的整个区域上提供规则的液态有机硅树脂的液滴阵列。液态有机硅树脂在该阶段中不主动铺开，但是由于其润湿基板的能力和其表面张力而可能在一定程度上铺开。然后，从第一边缘处开始，以微结构化聚丙烯层面对具有液态有机硅树脂液滴的玻璃基板的方式将模具施加到基板上，并通过压辊使模具压住基板，以使液态有机硅树脂展开并采取模具的聚丙烯层的微结构的形状。压辊沿着模具从基板的第一边缘移动到第二边缘，从而使其从卷绕辊上展开并使其长度的连续部分压住基板的长度的连续部分，直到模具完全覆盖住基板的上表面并压住其为止，使得包括玻璃基板、液态有机硅树脂层和模具的初步元件被设置成使得模具和玻璃基板的上表面在宏观水平上彼此平行并且液态有机硅树脂完全占据模具的微结构化聚丙烯层与玻璃基板的上表面的GRIN纳米结构之间的空间。然后在基板的第二边缘处平行于该第二边缘切割模具。
然后将由此形成的初步元件加热以使液态有机硅树脂固化和凝固，从而提供固态微结构化透光有机硅覆层位于玻璃基板的上表面与模具的微结构化热塑性层之间的光学元件。光学元件以这种形式储存和运输，以使模具保护微结构化有机硅覆层免受磨损和其他损害。
当要将光学元件安装到太阳能聚光器中时，将模具从微结构化有机硅覆层上剥离，并且将光学元件安装到其在太阳能聚光器中的适当位置。然后可以丢弃模具。
实施例2
用于太阳能集热器的透镜的制造如下：
将尺寸为1500mm×1500mm×5mm厚度的、在每个表面上都进行抗反射梯度折射率蚀刻的玻璃基板放置在有机硅橡胶垫平板层压机上。以1：1的比例或按照用户手册的指示混合两组分的有机硅，例如来自Dow Corning的Sylgaard 184，以形成液态有机硅树脂混合物。通过真空泵将该混合物减压约10分钟以从混合物中去除溶解的空气。然后将脱气的混合物分配到层压机中的玻璃基板的上表面上。
将形成有与要在透镜上形成的几何菲涅耳微结构相反的结构并且略大于玻璃基板的上表面(即，尺寸略大于1500mm×1500mm)的聚合物薄膜放置成使其结构化表面与层压机上的玻璃基板的涂覆有液态有机硅树脂的上表面接触。然后，使平板层压机的压辊在玻璃基板上的聚合物薄膜上滚动，以施加压力来去除截留在聚合物薄膜与玻璃基板之间的空气，并将液态有机硅树脂分配到玻璃基板的表面上以在整个表面上形成覆层，该覆层形成为聚合物薄膜上的结构的形状。然后将基板、形成的液态有机硅树脂覆层和聚合物薄膜的组件在环境温度下保持24小时，以使形成的液态有机硅树脂覆层固化，从而在玻璃基板上形成结构化的有机硅层。由于抗反射梯度折射率蚀刻的玻璃基板和有机硅之间的粘附性与有机硅和聚合物层之间的粘附性相比更高，因此一旦有机硅固化，聚合物薄膜就被去除，在玻璃上留下结构化的有机硅层。由此形成玻璃-有机硅透镜。
尽管已经参照优选的实施方式描述了本发明，但是应当理解在本发明的范围内可以进行各种修改。
在本说明书中，除非另有明确说明，否则“或”一词是在满足所述条件中的一种或两种时返回真值的算子的意义上使用的，与要求只满足一种条件的算子“异或”相反。“包括”一词是在“包含”的意义上使用的，而不是表示“由……组成”。此处通过引用并入本文描述的所有现有技术教导。本文中描述的任何先前出版的文件均不应被视为承认或表示本文的教导在本文公开之日是澳大利亚或其他地区的公知常识。

Claims (25)

1.一种制造用于聚集电磁辐射的光学元件的方法，其包括以下步骤：
(a)提供第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与所述前表面相对的后表面；
(b)将液态有机硅树脂施加到玻璃基板的后表面和/或前表面上；
(c)使液态有机硅树脂与模具接触，使得液态有机硅树脂采取模具的形状并且形成在玻璃基板的施加有液态有机硅树脂的一个或多个表面上延伸的微结构；
(d)使液态有机硅树脂固化，以形成微结构化透光有机硅覆层，
其中玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的一个或多个表面被粗糙化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，模具的形状在步骤(c)中使得液态有机硅树脂采取在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构。
3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在步骤(a)之后并且在步骤(b)之前，所述方法还包括在玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的一个或多个表面上形成纳米结构的步骤，优选包括在玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的一个或多个表面上蚀刻折射率梯度结构，以使玻璃基板的表面粗糙化，优选其中纳米结构的高度为500nm，更优选为300nm。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在步骤(b)中，液态有机硅树脂的施加是通过将液态有机硅树脂的一个或多个液滴、汇集物或区块施加到表面上来进行的，在施加的步骤(b)期间一个或多个液滴、汇集物或区块不主动铺开形成连续的层。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在步骤(c)中，模具是热塑薄膜，其一个表面上形成有与液态有机硅树脂采取的在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构相反的微结构，所述热塑薄膜优选是柔性热塑薄膜，并且更优选是从聚丙烯薄膜和聚乙烯薄膜中选择的热塑薄膜。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在步骤(c)中，使液态有机硅树脂与模具接触包括优选使用压辊使热塑薄膜的形成有微结构的表面压住液态有机硅树脂，以使液态有机硅树脂采取所述微结构的形状，并且优选其中使热塑薄膜压住液态有机硅树脂还将液态有机硅树脂铺开，从而形成在玻璃基板的所选的表面上延伸的连续覆层。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在步骤(d)中，使用温度和时间的组合来执行固化，并且优选不包括使用UV辐射来引发固化过程。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，在固化的步骤(d)之后并且在模具为压模或热塑薄膜的形式的情况下，使模具在经固化的透光有机硅覆层上留在原位，以在覆层用作光学元件之前充当其保护层。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
(e)从微结构化透光有机硅覆层上去除模具，
优选其中模具为热塑薄膜的形式，并且步骤(e)包括将所述热塑薄膜从有机硅覆层上剥离。
10.一种用于聚集电磁辐射的光学元件，其包括：
第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与所述前表面相对的后表面；以及
位于基板的后表面和/或前表面上的透光有机硅覆层，
其中有机硅覆层上形成有使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构，并且
其中玻璃基板的形成有有机硅覆层的一个或多个表面被粗糙化。
11.根据权利要求10所述的光学元件，其中，在有机硅覆层的不与玻璃基板接触的一侧上设置有保护膜，所述保护膜优选为热塑薄膜，更优选为形成有与形成在有机硅覆层上的微结构相反并与有机硅覆层上的微结构配合的微结构的热塑薄膜。
12.根据前述任一项权利要求所述的方法或光学元件，其中，透光有机硅是从聚合的硅氧烷或聚硅氧烷、优选聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的组中选择的类型。
13.根据前述任一项权利要求所述的方法或光学元件，其中，玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的一个或多个表面的表面粗糙化是高度为800nm、更优选为600nm、更优选为500nm、更优选为400nm、最优选为300nm的纳米结构的形式，和/或其中玻璃基板的要施加液态有机硅树脂的一个或多个表面的表面粗糙化是高度为50nm以上、优选为100nm以上、最优选为200nm以上的纳米结构的形式，并且优选其中所述纳米结构的高宽比为0.5至1。
14.根据前述任一项权利要求所述的方法或光学元件，其中，粗糙化的表面的Rz值在50nm至800nm的范围内、更优选在100nm至600nm的范围内、最优选在200nm至400nm的范围内，和/或其中通过在玻璃基板上蚀刻出折射率梯度结构来提供粗糙化的表面。
15.根据前述任一项权利要求所述的方法或光学元件，其中，玻璃基板的最小前表面面积为0.25m2、更优选最小前表面面积为0.5625m2、更优选最小前表面面积为1m2，和/或其中玻璃基板的最大面积为4m2。
16.根据前述任一项权利要求所述的方法或光学元件，其中，光学元件用于聚集光、优选聚集太阳辐射。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的光学元件，其中，光学元件还包括第二透光玻璃基板，优选其中在第一透光玻璃基板的后表面上设置有透光有机硅覆层的情况下将第二透光玻璃基板放置在第一透光玻璃基板的后方，或者，在第一透光玻璃基板的前表面上设置有透光有机硅覆层的情况下将第二透光玻璃基板放置在第一透光玻璃基板的前方。
18.根据权利要求17所述的光学元件，其中，第二透光玻璃基板不被放置为与第一透光玻璃基板进行接触或者与第一透光玻璃基板上的透光有机硅覆层进行接触。
19.根据权利要求17或18所述的光学元件，其中，第二透光玻璃基板的前表面和/或后表面上具有抗反射覆层。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的光学元件，其中，第二透光玻璃基板在第二透光玻璃基板的前表面和/或后表面上还包括形成有微结构的透光有机硅覆层，并且其中第二透光玻璃基板的形成有透光有机硅覆层的一个或多个表面被粗糙化。
21.一种太阳能聚光器，其包括至少一个根据权利要求10至20中任一项所述的光学元件，优选还包括被定位为用于接收穿过光学元件且通过光学元件聚集的辐射的一个或多个太阳能收集器或接收器，和/或优选还包括用于一个或多个光学元件的支撑件，和/或优选还包括允许调节一个或多个光学元件相对于入射辐射的位置、优选允许一个或多个光学元件被放置成使得入射辐射与一个或多个光学元件的平面正交的支座。
22.一种制造太阳能聚光器的方法，其包括以下步骤：
i)提供用于聚集太阳辐射的一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件包括：
第一透光玻璃基板，其具有在使用中使电磁辐射入射的前表面以及与所述前表面相对的后表面；以及
位于基板的后表面和/或前表面上的透光有机硅覆层，
其中透光有机硅覆层上形成有在使用中使入射在光学元件上的太阳辐射聚集的微结构，并且
其中玻璃基板的形成有透光有机硅覆层的一个或多个表面被粗糙化；
ii)将一个或多个光学元件设置成使太阳辐射聚集到一个或多个聚焦区；
iii)在每个聚焦区处放置太阳能收集器。
23.根据权利要求22所述的制造太阳能聚光器的方法，其中，一个或多个光学元件各自是根据权利要求10至20中任一项所述的光学元件，和/或其中太阳能聚光器是根据权利要求21所述的太阳能聚光器，和/或其中所述方法还包括制造一个或多个根据权利要求1至9或12至16中任一项所述的光学元件。
24.根据权利要求23所述的制造太阳能聚光器的方法，其中，光学元件是根据权利要求1至9或12至16中任一项制造的，所述方法包括根据权利要求9的步骤(e)，和/或其中在使用根据权利要求10至20中任一项所述的光学元件并且在透光有机硅覆层的结构化侧上包括保护膜的情况下所述方法优选还包括在步骤ii)之前去除保护膜的步骤。
25.一种制造用于在玻璃基板上成形液态有机硅树脂的模具的方法，其中，所述模具是热塑薄膜，其一个表面上形成有微结构，所述微结构与有机硅覆层采取的在使用中使入射在光学元件上的电磁辐射聚集的微结构相反，所述方法包括以下步骤：
-提供旋转挤出涂布辊，以使用热塑性材料执行聚合物挤出涂布工艺，所述挤出涂布辊在其表面上形成有微结构；
-保持旋转挤出涂布辊的温度低于热塑性材料的凝固温度；
-使载体箔在旋转挤出涂布辊与旋转反压辊之间在与旋转挤出涂布辊的旋转速度对应的给定速度下移动；
-在移动的载体箔与旋转挤出涂布辊之间连续施加热塑性材料的熔体，由此使热塑性熔体在与挤出涂布辊接触时凝固，从而在载体箔上形成固态微结构化热塑性覆层。
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