CN115039238B - 用于光谱转换的光学涂层 - Google Patents

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Abstract

一种光学涂层，具有反射预定波长范围的一组层，所述一组层包括两对或更多对交替的第一层和第二层，第一层具有第一折射率m，并且第二层具有大于第一折射率m的第二折射率m。第二层各自包括第一材料的纳米粒子的第一分布。所述层表现出将一部分入射光偏移到第一波长范围并将第一波长范围的光引导到表面增强拉曼散射(SERS)层的光谱特性。SERS层被配置为具有第二材料的导电纳米粒子的第二分布，以根据纳米粒子的第二分布将第一波长范围的光进一步偏移到不同于第一范围的第二范围。

Description

用于光谱转换的光学涂层
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月10日以Nishikant Sonwalkar的名义临时提交的标题为“OPTICAL COATING FOR SPECTRAL CONVERSION[用于光谱转换的光学涂层]”的美国临时申请序列号62/913315的权益，其全部内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及光学介质的光谱性能，更具体地涉及用于入射光能的光谱再映射的光学涂层。
背景技术
每种类型的光传播光学材料对光能都具有可以在波长带内变化的特征光谱响应。例如，常规光学玻璃类型在给定的范围内表现出最佳的透射率，但是在特定的波长表现出较低的透射率。各种类型的光学涂层在特定波长范围内具有可变的响应和效率。光子传感器和能量转换器(比如光伏(PV)太阳能转换器)在某些波长带比在其他波长带更高效。
光子转换方法已经被提出并用于补偿和调整不同类型的光学部件和材料的光谱响应。已经开发了用于上转换(UC)、下转换(DC)和其他类型的光谱响应改变的方法，所述方法用于更改特定光传播光学材料的固有响应，以希望实现可测量的和有效的性能改进。
虽然在提高光传输效率方面、特别是在PV太阳能领域已经取得了一些进展，但是仍然存在明显的问题。在提高特别是PV应用的光谱响应以及一般的光传播材料的光谱响应方面所面临的限制中，存在与用于制造提供UC或DC功能的部件的材料相关的问题。例如，提高光伏效率的尝试的特征在于材料昂贵和/或对环境不利。镧系元素和稀土材料已经特别地被认为是改进光传播光学材料的光谱响应的候选物。然而，必须小心地处理这些材料以便获得证明费用、制造和潜在的废物处理困难的结果。量子点材料也面临同样的问题，并引入了许多环境安全问题，这些问题可能会阻碍它们在光伏电池中的应用。
除了与材料相关的限制之外，还存在已经被光学材料领域的技术人员广泛接受的能量转换的已知实际原理，包括与热产生和其他实际限制相关的原理。
因此，可以理解，与光传播光学材料的改进的光谱性能和工程化相关的方法存在改进的空间。
发明内容
本披露内容的目的是在设计光传播材料在一个波长范围内的光谱响应方面推进光学材料领域。考虑到这个目的，本披露内容提供了一种光学涂层，所述光学涂层包括：
形成为反射预定波长范围的一组层，所述一组层包括两对或更多对交替的第一层和第二层，所述第一层具有第一折射率n1，并且所述第二层具有大于第一折射率n1的第二折射率n2，
其中，所述第二层各自包括第一材料的纳米粒子的第一分布，
其中，所述一组层表现出将一部分入射光波长偏移到第一波长范围并将所述第一波长范围的光传送到表面增强拉曼散射层的光谱特性；
其中，所述表面增强拉曼散射层被配置为具有第二材料的纳米粒子的第二分布，以根据所述拉曼散射层中所述纳米粒子的第二分布进一步将所述第一波长范围的光偏移到不同于所述第一范围的第二波长范围。
本披露内容的设备和方法提供的优点是能够配制和使用比为提高光谱效率而提出的材料对环境危害小得多的材料。
对于本领域技术人员来说，所披露的发明的其他期望的目的、特征和优点可能会出现或变得明显。
工业适用性
根据本披露内容的广义方面，提供了用于实现光传播光学材料的改进的光谱响应的设备和方法，所述光传播光学材料包括在太阳能发电和其他光伏应用中有效的材料。
附图说明
图1是示出了下转换的简化示意图。
图2是示出了为PV应用提供下转换的光处理顺序的流程图。
图3A是示出了根据本披露内容的实施例的涂布的光传播材料的改进的光谱响应的曲线图。
图3B是示出了根据本披露内容的实施例的与窗格玻璃透射率相比涂布的光传播材料的改进的光谱响应的曲线图。
图3C是示出了入射光和通过传播穿过本披露内容的涂层而已经光谱偏移的光的光谱辐照度的曲线图。
图4是示出了用于光能下转换的多层涂层的示意性侧视图。
图5是示出了在下转换涂层中使用的布拉格反射的分层布置的侧视示意图。
图6示出了在涂层内增材制造和形成原位纳米粒子的顺序。
图7是示出了根据本披露内容的实施例形成的用于透明下转换(DC)膜或涂层的分层布置的截面局部分解视图。
具体实施方式
本文示出和描述的附图展示了根据各种实施例的光学设备的操作和制造的关键原理，并且不是为了示出实际尺寸或比例而绘制的。为了强调基本的结构关系或操作原理，一些视觉夸张可能是必要的。
在本披露内容的上下文中，术语“顶部”和“底部”或“上方”和“下方”是相对的，并不指示部件或表面的任何必要的取向，而是简单地用于指代和区分部件或材料块内的相反表面或不同光路。类似地，术语“水平”和“竖直”可以相对于附图使用，以描述例如不同平面中的部件或光的相对正交关系，但是不指示部件相对于真实水平和竖直取向的任何所需取向。
当使用它们时，术语“第一”、“第二”、“第三”等不一定表示任何顺序或优先关系，而是用于将一个要素或时间间隔与另一个要素或时间间隔更清楚地区分开来。例如，在本文教导的内容中没有固定的“第一”或“第二”要素；在本披露内容的上下文中，这些描述符仅仅用于将一个要素和另一个类似的要素清楚地区分开来。
在本披露内容的上下文中，术语“膜”可以用来表示作为一个或多个薄层施加到基材上的涂层，比如由相继形成的材料层形成的薄膜光学涂层，所述材料层被处理成具有不同的折射率。膜也可以是由一层或多层光学材料形成的光传播基材，所述光传播基材以独立的方式使用，或者比如使用粘合剂光学地联接到另一个光学部件。
如本文所使用的，术语“可激励的”涉及在接收到功率时以及可选地在接收到使能信号时执行指示的功能的装置或一组部件。“光传播”材料传输或传送材料接收的大部分光(至少超过50％)。对于本披露内容的设备的大多数用途，光传播的感兴趣的范围通常在大约200nm至2200nm之间。
术语“纳米粒子”通常指具有介于单个原子与宏观大块固体之间的中间尺寸的粒子，其平均直径在约1nm到100nm之间。材料的纳米粒子尺寸通常近似于材料的玻尔激子半径(Bohr exciton radius)或德布罗意波长(Broglie wavelength)，这可以允许单个纳米粒子在粒子内捕获单个或离散数量的电荷载流子(电子或空穴)或激子。纳米粒子对电子(或空穴)的空间限制被认为改变了材料的物理特性、光学特性、电子特性、催化特性、光电特性和磁性。
图1以简化示意图形式示出了光谱下转换的机制，其中，一个高能光子被转换成两个低能光子。在光传播材料中提供这种类型的光谱转换的常规解决方案严重依赖镧系元素材料。例如，在PV应用中，镧系元素用于执行下转换的用途和优点是众所周知的。作为镧系元素特性的各种状态的电子的可获得性使得这些物质容易用于下转换应用，允许光能更好地用于各种类型的感测和电流产生。同时，其他元素没有这种固有的优势，并且不会被认为是制造下转换制品的候选材料。
然而，镧系元素材料在成本、可获得性、处理方面存在许多问题，并且引入了许多环境问题。镧系元素也表现出相当大的损失，这限制了可以获得多少改进。
申请人的用于提高光谱转换和调节的效率的方法不取决于镧系元素或基于磷光体的光产生来使光的波长偏移以提高效率。相反，申请人已经确定了一种用于光处理和转换的新型顺序以及对应的分层结构，分层结构可以被工程化成提供对于光伏应用最有效的下转换、以及上转换和光谱偏移和总体精细化。申请人的技术将量子匹配应用于波长偏移的问题，形成了多层结构，多层结构利用了布拉格反射的特性以及局域表面等离子体共振(LSPR)和表面增强拉曼散射(SERS)的效率。
用于下转换的光处理
图2的流程图示出了提供下转换或其他类型光谱偏移的光处理顺序。根据示例性实施例，此顺序可以用于将较高能量的UV光和可见光的一部分偏移到常规硅PV电池的较低能量带隙范围(1064nm)。申请人的涂层实现的顺序如下：
(i)步骤S200：接收入射光能。例如，对于入射太阳光，大部分辐照度都在可见光区域(大约在450nm到700nm之间)内。
(ii)步骤S210：使用具有量子限制的分布式布拉格反射(DBR)来执行光谱偏移和选择。
(iii)步骤S220：使用表面增强拉曼散射(SERS)进行进一步的光谱偏移。
(iv)步骤S230：比如在PV转换器20或传感器处收获、处理、感测或以其他方式使用光，包括光谱偏移的光。
图3A的曲线图比较了未涂布的光学玻璃的透射光谱和具有根据本披露内容的实施例形成的涂层的相同玻璃材料的透射光谱。如可以看出的，提高了更高波长的光的透射效率。这种提高可以有利于例如PV应用。图3B示出了根据本披露内容的实施例的与窗格玻璃透射率相比涂布的光传播材料的改进的光谱响应。
图3C的曲线图示出了空气中的入射光的光谱辐照度(虚线)和通过传播穿过本披露内容的涂层而发生光谱偏移的光的光谱辐照度(实线)。阴影示出了能量分布的对应偏移和总功率密度的变化。
图4的截面图以示意性形式且不按比例示出了层的布置，所述布置可以用于提供涂层40，所述涂层具有用于PV应用中光能下转换的所述光谱行为，其中光以所示取向从上方入射。盖42由光传播材料形成，通常是玻璃或塑料。修改的分布式布拉格反射器(DBR)区段44是多层结构，所述多层结构通过有效改变一部分入射光的相干长度来提供图2的顺序中所示的具有选择的第一光谱偏移。光谱偏移的光然后被引导到表面增强拉曼散射(SERS)层46，其中发生随后的光谱偏移。然后，朝向期望的带隙(比如PV装置的带隙)偏移的所得光能例如可以被引导到PV材料或其他基材50。
布拉格反射器区段44的结构和组成
如下所述，本披露内容的实施例使用针对量子匹配而修改的分布式布拉格反射(DBR)的原理。必须注意的是，布拉格反射本身不会引起光谱偏移，而是用于光谱的窄部分的选择性反射。当入射光穿过形成1D光子晶体的不同折射率材料的周期性层时，产生DBR。DBR采用了旨在使被认为最有效的范围内的光子增强的波动光学方法。例如，在以下文章中描述了用于光子带隙(PBG)内光子能量的选择性增强的DBR的结构和用途：
Ding,Y.、Chen,P、Fan,H.Q.和Hou G.(2017年)的“Photonic Structure forLight Trapping in Thin Films Silicon Solar Cells:Design and Experiment[用于薄膜硅太阳能电池中光捕获的光子结构：设计和实验]”，《涂层(Coatings)》，7，236；
Chen,A.、Yuan,Q.和Zhu,K.，(2016年)，“ZnO/a-Si Distributed BraggReflectors for Light Trapping in Thin Film Solar Cells from Visible toInfrared Range[用于薄膜太阳能电池从可见到红外范围的光捕获的ZnO/a-Si分布式布拉格反射器]”，《应用表面科学(App.Surface Science)》，360，B部分，第693-697页；以及
Peter Bermel、Chiyan Luo、Lirong Zeng、Lionel C.、Kimerling和JohnD.Joannopoulos，“Improving thin-film crystalline siliconsolar cellefficiencies with photonic crystals[利用光子晶体提高薄膜晶体硅太阳能电池的效率]”，2007年12月10日，第15卷，第25期/《光学快报(OPTICS EXPRESS)》，第16986-17000页。
举例来说，已经证明仅具有六个周期的四分之一波长ZnO/a-Si交替叠层可以表现出99％的峰值反射比。六周期反向ZnO/a-Si可以具有98％的反射率；两个ZnO/a-Si DBR的组合可以适于更宽的阻带，比如686nm到1354nm。
为了更好地理解在布拉格反射器结构内形成的附加偏移机制，回顾布拉格反射的一些基本原理是有用的。分布式布拉格反射器布置可以替代地被认为是1-D光子晶体，形成为共同限定特定能带的堆叠的微结构的周期性布置。
图5的示意性侧视图和图6的分解视图示出了根据实施例的布拉格反射器区段44的多个层60、66的布置。如前所述，布拉格反射器区段44形成为提供光子晶体的四分之一波长叠层。一系列彼此上下重叠的透明层具有交替的层，所述层具有交替的折射率，折射率分别表示为n1、n2。在图5中以示例的方式示出了四个层；附加层替代地可以用于形成具有给定光谱响应的布拉格反射器。根据实施例，使用6-12个周期，每个周期具有一对交替折射率层。折射率的周期性变化可以由具有λ/4厚度的层来提供，其中，波长λ对于特定应用来说是合适的波长。根据本披露内容的示例性实施例，目标布拉格波长λ为约600nm。
对于具有相应折射率n1和n2的不同材料，在值d1与d2之间略微交替的层厚度可以在布拉格波长λB处提供布拉格反射，其中交替厚度值由下式给出：
对于硅(Si)，层厚度d1、d2通常在60nm的范围内。
布拉格层排序的周期Λ可以表示为：
或者
式中/>
因此，
布拉格反射波长为：
可以获得传播常数：
对于以下波长的光：
入B：Δβ＝β-βB
对于与光栅同相的光，折射率n1与n2之间的差异相对较小。在布拉格波长处，透射损失可能异常地低；此波长的反射率可以超过99.99％。
其他更常规的提出的用于处理光到光伏器件或在光伏器件内的解决方案使用布拉格反射来捕集或以其他方式包含入射光，但是没有提供波长偏移的能力。本披露内容的实施例解决了在形成分布式布拉格反射器结构时使用量子匹配的波长偏移问题。在量子受限的布拉格光栅中，反射器布置将光能保持在波腹处，以将光学增益提高2倍。
根据实施例，使用嵌入在二氧化硅(SiO2)基材内的硅(Si)纳米粒子/纳米晶体的分布来实现量子限制或量子匹配。分布的纳米粒子之间的空间在SiO2基材内形成竖直腔(“竖直”在大致正交于层平面和PV装置表面平面的方向上延伸)。光信号在这些腔内的共振引起光的相干性，其频率(波长)对应于这些腔的总体分布和竖直距离。因此，在量子匹配中，DBR结构的一层或多层中的每个层内纳米粒子的相对浓度和分布对Si/SiO2层的折射率和所获得的光谱偏移范围都有影响。
根据本披露内容的实施例，两个不同的层在DBR涂层40结构中交替：
(i)图5所示的分层布置中的层60由工程材料形成，所述工程材料具有在SiO2基材内的Si粒子分布；以及
(ii)交替层66由另一种透明的导电材料(比如氧化铟锡(ITO))形成。也可以使用的替代性材料包括各种类型的掺杂二元化合物，例如，包括铝掺杂氧化锌(AZO)、铟掺杂氧化镉和铝、镓或铟掺杂氧化锌(AZO、GZO或IZO)。
选择用于提供基材和纳米粒子成分的材料，以适合于形成对于目标波长具有适当几何形状的竖直腔。
SERS层46的结构和组成
返回参考图4的示意图，在光传送和通过布拉格反射器区段44的波长初始偏移之后，SERS层46形成波长转换引擎，所述波长转换引擎向入射光提供附加的波长偏移。
关于具有散射和斯托克斯位移的光子的下转换，已经表明，给定紫外光(UV)或可见光(VIS)激发源(比如325nm激发源)，近共振拉曼散射在红外(IR)能量区域中产生T2(LO)峰值。因此，例如，325nm光源可以在600nm到1050nm的感兴趣区域内产生峰值。产生的T2(LO)峰值的强度随着ZnS纳米粒子尺寸从6nm到30nm而增加。
在实施例中，由于拉曼位移(斯托克斯位移)，表面增强拉曼效应导致350nm到450nm范围内的UV光和VIS光在600nm到1000nm区域内激发T2(LO)峰值。这种偏移可能是由量子限制引起的带隙能量变化和表面等离子体产生的自由激子发射能量引起的。ZnS金属纳米粒子为斯托克斯位移提供了必要的等离子体能量，并且因此不会引起在感兴趣的区域中发射的偏移光子的能量损失。
拉曼散射是由分子材料的电子形成偶极云的结果。拉曼散射信号的光谱偏移和表面增强是由例如形成SERS层46的基材内的适当材料(比如银、金和锌)的导电纳米粒子的分布引起的。通过适当选择材料及其分布，SERS层46可以被配置为展现局部表面等离子体共振(LSPR)，以提供朝向合适波长范围的光谱偏移。本文使用的术语“导电”是指具有相对低的体积电阻率，例如但不限于，典型的导电材料在20℃时具有小于102Ohm-m的体积电阻率。体积电阻率与材料阻止电流流动的能力有关。
光通过具有稀疏分布的嵌入纳米晶体的介质的传播可以通过计算均匀介质的有效折射率来近似，计算如下：
其中：
m＝纳米粒子嵌入其中的光传输介质的折射率；
是介质中的波数；
是粒子数N除以体积V；
S(0)是沿向前方向的散射振幅；
其中吸收介质具有复折射率的吸收系数通常为：
对于具有小的相同纳米粒子的薄层，吸收系数可以由下式给出：
ReS(0)＝ρmcext
其中，cext是单个粒子的消光截面，与散射振幅的实部Re S(0)成比例。
根据比尔定律，准直光束在有效介质中传播一段距离h后的衰减可使用下式获得：
其中，I是强度。
如van Dijk等人2013年在美国化学学会《Physical Chemistry Letters(物理化学快报)》第1193-1196页发表的标题为“Competition between Extinction andEnhancement in Surface-Enhanced Raman Spectroscopy[表面增强拉曼光谱中消光与增强之间的竞争]”的文章中所描述并通过援引并入本文的，由于竞争过程之间的相互作用而发生波长偏移。SERS操作用于使纳米粒子在等离子体频率下的共振信号消失，而在离共振波长一定距离处的拉曼散射信号对应增强。当纳米粒子在等离子体共振下被激发时，这种具有减弱的拉曼信号的反直觉行为可以适于提供入射光到更长波长的上转换，这通常是PV应用所期望的行为。替代地，SERS可以用于实现入射光到更短波长的下转换、以及波长带匹配。
为了调节拉曼散射光能量的波长和强度，可以控制的因素包括纳米粒子类型、形状、总体尺寸和集中/分布。例如，在A.Bouali、S.Haxha、F.Abdelmalek、M.Dridi和H.Bouchriha在IEEE量子电子学(IEEE Journal of Quantum Electronics)(第50卷，第8期(2014年8月)，第651-657页)中发表的标题为“Tuning of Plasmonic Nanoparticle andSurface Enhanced Wavelength Shifting of a Nanosystem Sensing Using 3-D-FDTDMethod[使用3-D-FDTD方法调谐等离子体纳米粒子和纳米系统传感的表面增强波长偏移]”的文章(其通过援引并入本文)中描述了具有SERS结构的光谱响应的设计。
等离子体共振材料在频谱上散射入射光，所述频谱是材料的粒子直径、尺寸和周围基材的介电属性的特性。某些材料的共振散射光会增加波长，比如向入射光提供“红移”。
在金属粒子中产生等离子体的特征是在其表面附近区域产生增强的电场。此电场与附近材料之间的相互作用可以显著更改共振粒子和附近材料的散射特性。表面增强拉曼光谱(SERS)利用粒子涂布膜中的局域等离子体共振，被工程化为将拉曼散射增强几个数量级的大小。使用这种技术，可以观察到感兴趣的材料的拉曼散射；等离子体产生的局部场可以用来增强散射的强度。
根据本披露内容的实施例，SERS层46由金属纳米粒子形成，所述金属纳米粒子由嵌入在透明导电基底材料或基质中的氧化锌(ZnO)或其他透明导电金属形成。根据本披露内容的实施例，ITO是导电基底材料。许多类型的金属纳米粒子可以用于在SERS层46中获得等离子体响应，这取决于所需的波长偏移量。合适的金属纳米粒子可以包括贵金属(比如金和银)以及具有低反应性和高反射性的良好品质的金属(包括例如钴和铬)。可以交替地使用各种化合物，比如硝酸锌。如量子电子学领域的技术人员所知，所提供的光谱偏移量可以被工程化到材料中，比如通过施加适当设计的涂层。所实现的光谱偏移可以部分地是纳米粒子尺寸和分布以及基底材料或基质的复折射率的因素。
应当注意，使用各种类型的纳米粒子并控制它们在本披露内容的膜或涂层的不同层中的相对尺寸和分布允许调节光波长，使得能够用于上转换、下转换或波长带匹配。
下转换膜的制造
例如，对于太阳能转换应用，申请人已经发现，下转换涂层或膜40可以使用先前描述的布置来形成，以提供合适的波长偏移，所述波长偏移将入射太阳光调节到更有利于PV装置进行有效转换的波长。
关于图4至图6所示的分层布置，制造步骤从可以是透明玻璃或塑料基材的盖42开始，然后在盖42上形成布拉格反射器区段44的层，随后形成SERS层46。
在作为基底的盖42上形成涂层40的步骤可以使用以下顺序：
(i)使用溅射或其他沉积技术形成第一层66，以沉积50nm的ITO或其他导电的光传输材料。
(ii)在层66上溅射或沉积薄Si层。
(iii)使用烧结或退火从沉积的Si层形成纳米晶体。根据实施例，600-800℃范围内的烧结温度形成具有合适尺寸和分布的Si纳米晶体，用于形成层60，所述层具有不同于ITO层的给定折射率并且具有期望的纳米晶体分布，用于形成用于合适波长的布拉格反射的竖直腔。
(iv)通过在所形成的纳米晶体上沉积ITO或其他导电的光传输材料来形成嵌入层。
(v)重复步骤(i)至(iv)两次或更多次，以形成布拉格反射器区段44。
(vi)通过施加导电的透明基底(比如ITO)并将ZnO嵌入或分布到基底上来形成SERS层。
(vii)形成具有用于产生SERS的合适分布的纳米粒子状ZnO粒子。
存在许多形成纳米光学涂层的已知方法。这些方法包括但不限于辊涂、旋涂、物理气相沉积、化学气相沉积和磁控管等离子体溅射。辊涂的缺点是使用由聚合物粘结剂形成的填料以及暴露于阳光下会降解的填料。
例如，磁控管等离子体溅射用于无机、长效金属氧化物(比如TiO2、SiO2、MgF2)的纳米光学涂层。这种技术允许在线加工，能够在有利的循环时间内溅射大量玻璃片材。磁控管等离子体溅射技术逐层构建纳米光学涂层作为增材制造工艺。
图6的图示出了在涂层内增材制造和形成原位纳米粒子的顺序。从左到右，溅射用于将材料和相关氧化物施加到基材(在样品位置处)。然后，在受控条件下，比如在N2/O2气氛中，使用退火工艺来调节其衬底上的涂层。退火温度没有限制，通常在900-1200℃范围内。得到的纳米粒子可以被测试并用于提供期望的透射特性和反射特性。
对于透明材料基质中的纳米粒子内含物，比如在透明导电氧化物(TCO)内，为了在单结c-Si太阳能电池的顶表面和底表面处的良好接触，可以获得热退火。再次使用增材制造工艺对金属氧化物的溅射层进行热退火以产生原位纳米晶体允许了改进控制；使用材料领域技术人员熟悉的方法施加退火温度和压力允许精确控制纳米晶体活性层的尺寸和密度。
所描述的增材制造顺序适用于在线、高生产量加工。石英加热器可以结合在溅射室内。
根据实施例，存在将适当构造并嵌入金属氧化物中的纳米粒子结合起来以实现700nm至1100nm的带通以及300nm至600nm波长的高能光子向800nm至900nm低能光子(更适合于PV和其他应用)的低百分比下移的一系列步骤。实验涂层的透射和反射光谱已经通过独立测试得到验证。例如，室外测试表明72电池全尺寸太阳能板的效率增益，基于现场试验，太阳能板效率的总体改进平均为15％至22％。
图7的截面分解视图示出了根据本披露内容的实施例形成的且没有按比例绘制的用于透明下转换(DC)膜或涂层40的分层布置。膜或涂层40可以制成卷状或片状，然后使用光学粘合剂(比如EVA(乙烯-醋酸乙烯酯))将其施加到PV装置表面或其他基材表面或部件上。
根据本披露内容的实施例，基材可以是低铁太阳能玻璃，比如由印度古吉拉特邦的Gujarat Borosil有限公司制造的太阳能玻璃产品。
可以通过许多合适的方法中的任何一种(比如通过物理或化学气相沉积法)在光传播基材上形成层。例如，烧结过程和退火过程可以在高真空或无氧环境下执行。
图7的膜40可以用作单独的光学制品，或者可以粘附或以其他方式联接到另一种光学材料，以便提供波长转换。
根据本披露内容的替代实施例，如图7所示和本文所述的膜40可以形成在膜基材上，以应用于玻璃或其他光学材料或部件。替代地，形成膜40的层可以直接形成在光传播材料或光子部件的表面上，以提高光谱效率和响应。
尽管在实施例中描述了下转换功能，但是通过适当改变材料类型、分布和尺寸，本披露内容的设备和方法可以替代地应用于上转换、以及将光能偏移到优选的波长范围。
根据本披露内容的实施例，光学涂层具有形成为反射预定波长范围的一组层，所述一组层包括两对或更多对交替的第一层和第二层，第一层具有第一折射率n1，并且第二层具有大于第一折射率n1的第二折射率n2，其中，第二层各自包括第一材料的纳米粒子的第一分布，其中，所述层表现出将一部分入射光波长偏移到第一波长范围并将第一波长范围的光引导到表面增强拉曼散射层的光谱特性，所述光谱特性通常由绘制光体积或能量对波长的曲线图示出。表面增强拉曼散射层配置有第二材料的导电纳米粒子的第二分布，以根据拉曼散射层中纳米粒子的第二分布进一步将第一波长范围的光偏移到不同于第一范围的第二波长范围。层的光谱特性可以由形成在纳米粒子的第一分布中的反射腔提供。第一材料可以是硅；第二材料可以是导电金属。涂层可以形成为膜。
根据本披露内容的实施例的光学涂层可以具有被配置为反射目标波长的分布式布拉格反射器区段；以及表面增强拉曼散射区段，所述表面增强拉曼散射区段与DBR区段相邻并且被配置为从DBR区段接收目标波长的光并产生与接收的光发生光谱偏移的光。
已经详细描述了本发明，并且可能已经特别参考合适的或目前优选的实施例描述了本发明，但是应当理解，在本发明的精神和范围内可以进行变化和修改。因此，认为当前披露的实施例在所有方面均为说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指明，并且在其等同物的含义和范围内的所有变化都旨在包含在所述范围中。

Claims (19)

1.一种光学涂层，包括：
形成为反射预定波长范围的一组层，所述一组层包括两对或更多对交替的第一层和第二层，所述第一层具有第一折射率n1，并且所述第二层具有大于所述第一折射率n1的第二折射率n2，
其中，所述第二层各自包括第一材料的纳米粒子的第一分布，
其中，所述一组层表现出将一部分入射光波长偏移到第一波长范围并将所述第一波长范围的光传送到表面增强拉曼散射层的光谱特性；其中，所述表面增强拉曼散射层被配置为具有第二材料的纳米粒子的第二分布，以根据所述拉曼散射层中所述纳米粒子的第二分布进一步将所述第一波长范围的光偏移到不同于所述第一波长范围的第二波长范围。
2.如权利要求1所述的涂层，其中，所述一组层的光谱特性由形成在所述纳米粒子的第一分布中的反射腔提供。
3.如权利要求1所述的涂层，其中，所述第一材料是硅。
4.如权利要求1所述的涂层，其中，所述纳米粒子的第二分布包括导电纳米粒子。
5.如权利要求1所述的涂层，其中，所述第二材料是导电金属。
6.如权利要求5所述的涂层，其中，所述第二材料选自由银、金和锌组成的组。
7.如权利要求1所述的涂层，其中，所述第二材料是硝酸锌。
8.如权利要求1所述的涂层，所述涂层形成为膜。
9.如权利要求1所述的涂层，其中，所述第一波长范围低于600nm。
10.如权利要求1所述的涂层，其中，所述第二波长范围高于800nm。
11.如权利要求1所述的涂层，进一步包括由光传播材料形成的遮盖层。
12.一种光学涂层，包括：
遮盖层，所述遮盖层由透射材料形成；
多层分布式布拉格反射器区段，所述多层分布式布拉格反射器区段与所述遮盖层相邻并且被配置为接收入射光范围的光并反射目标波长范围的光；以及
表面增强拉曼散射区段，所述表面增强拉曼散射区段与所述分布式布拉格反射器区段相邻并且被配置为接收来自所述分布式布拉格反射器区段的所述目标波长范围的光并提供与所接收的光光谱偏移的输出光。
13.如权利要求12所述的涂层，其中，高于700nm的IR波长的所述输出光比IR波长的所述入射光具有更高的能量。
14.如权利要求12所述的涂层，所述涂层被施加到玻璃基材上。
15.如权利要求12所述的涂层，所述涂层形成为膜。
16.如权利要求12所述的涂层，其中，所述表面增强拉曼散射区段包括ZnO纳米粒子的分布。
17.如权利要求16所述的涂层，其中，所述ZnO纳米粒子在由透明导电氧化物形成的基质内。
18.一种用于形成光学涂层的方法，所述方法包括：
(a)在基材上形成一组层，其中，所述一组层被配置为通过重复以下步骤表现出将一部分入射光波长偏移到第一波长范围的光谱特性：
(i)沉积具有第一折射率n1的第一层，
(ii)沉积具有大于第一折射率n1的第二折射率n2的第二层，并且为所述第二层提供第一材料的纳米粒子的第一分布，
(b)形成表面增强拉曼散射层，所述表面增强拉曼散射层被配置为具有第二材料的纳米粒子的第二分布，以接收所述第一波长范围的光，
其中，根据所述拉曼散射层中所述纳米粒子的第二分布，所述表面增强拉曼散射层提供所述第一波长范围的接收光向不同于所述第一波长范围的第二波长范围的进一步偏移。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述基材是玻璃。
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