论文信息：

Xiudong Xu, Jinxin Gu, Haipeng Zhao, Xinyuan Zhang, Shuliang Dou, Yao Li, Jiupeng Zhao, Yaohui Zhan, and Xiaofeng Li. Passive and Dynamic Phase-Change-Based Radiative Cooling in Outdoor Weather, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 12, 14313–14320.

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c23401

研究背景

辐射制冷，因其亚环境冷却的被动工作模式为全球资源枯竭和不断加剧的气候变化提供了可持续和环保的解决方案，引起了广泛关注。与夜间辐射制冷相比，除了中红外大气窗口的高发射率外，白天辐射制冷同时需要太阳辐照度累积的光谱范围内的超低发射率。为了应对这一棘手的挑战，已经设计了许多方案，例如多层膜堆叠，基于纳米颗粒的超材料，二氧化硅涂层多孔阳极氧化铝和分级多孔聚合物涂层等。然而，这些辐射制冷器主要集中于最大化制冷功率或降低制造成本，而很少研究供应和需求之间的制冷功率不匹配问题，在自然气候条件下基于相变材料的动态辐射制冷器的实验很少被证明。

研究内容

本文基于VO2的相变器件设计了一种在实际天气条件下的被动动态辐射制冷器件。通过掺杂技术降低相变材料的相变温度，使用无损谐振器间隔物减轻相变器件的寄生吸收，以及通过匹配的硅片选择性地过滤紫外至中红外波段等措施可在高温白天开启制冷模式，在低温夜间关闭制冷模式。该研究推进了自适应辐射制冷的应用，并揭示了基于相变的智能热控制装置的潜力。

图 1. （ a ）动态辐射制冷系统示意图（ b ） VO2 材料在绝缘体状态（蓝色曲线）和金属状态（红色曲线）下的消光系数

基于相变材料的被动动态辐射制冷机制如图1所示，其主要由两个功能部件组成：遮阳帘和基于相变的装置。借助于光谱选择性遮阳帘，该设备能够在白天（或炎热天气）保持制冷（即，Prad>Pin），并关闭制冷（即Prad≈ Pin）。通过举例说明VO2的典型相变材料，图1(b)显示了绝缘体到金属相变引起的发射率的急剧变化，随着VO2从绝缘体状态变为金属状态，消光系数在中红外显著增加，显示出热调节的巨大可调性。

图2.(a)由W掺杂VO2层[记为VO2(W)]、HfO2电介质间隔物和Al反射层组成的夹层结构的基于VO2的器件的配置 (b)在金属和绝缘体状态下，作为HfO2厚度函数的整个器件的计算发射率谱 (c)未制备样品的横截面SEM图像，以及(d)放大的显微图像。

其次作者对光子器件进行设计和制造。基于 VO 2的相变器件的配置如 图2(a)所示，夹层结构可以在中红外中充当可重构腔：当 VO 2保持在金属状态时，典型的金属−绝缘体−金属可以形成法布里−珀罗腔；当 VO 2变成绝缘体状态时，顶部 VO 2层变得透明并导致明显减弱的空腔效应。如 图2(b)所示，在金属状态下，发射率峰值正确地出现在大气窗口中，其大小随着间隔物厚度的增加而逐渐增加；然而，在绝缘体状态下，发射率也随着间隔物厚度的增加而成比例地增加。

图3.(a)室温下基于VO2的器件的测量吸收（红线）和反射（黑线）光谱，(b)厚度为500μm抛光硅片的计算光谱，(c)在有（w/）和无（w/o）硅片存在的情况下，VO2和Al层中的计算吸收，(d)厚度方向上的电磁场分布和归一化光学损耗，(e)根据(c)VO2和Al层w/和w/o晶片的计算太阳吸收比

作者根据测量和计算结果分析了基于相变的器件在太阳光谱范围内的光学响应。如 图3(a)所示，基于相变的装置在太阳光谱范围内的吸收相当高，这表明迫切需要太阳能遮阳帘阻挡太阳辐射，同时保持对热辐射的透明。因此，一侧抛光的红外透明硅晶片可能是一个很好的候选者。 图3(b)显示了抛光硅片的测量光学性能，显示了其选择性遮阳的有效性。根据 图3(c),(d)中的结果，Al背反射器的吸收也存在，特别是在可见光波段，可以达到在少数共振峰（如λ=510μm）时约为20%；然而，如 图3(e)所示，借助于晶片，可以几乎完全抑制Al层中的寄生吸收。此外，如 图3(c),(e)所示， VO 2层的吸收缩减到约91%。综合结果证明了太阳能过滤器对于严格的辐射制冷要求的必要性和有效性。

图4.当温度（a)从5°C升高到40°C或(b)从40°C降低到5°C时，VO2装置的动态发射率谱 (c)制冷和加热循环期间平均发射率的滞后曲线

接着作者使用带有积分球的傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪在加热和制冷循环期间测量制备的 VO 2器件的动态发射率光谱，如 图4所示。并在自然气候条件下对所制备的样品进行了室外温度测量（图5）。

图5.(a)屋顶温度测量的实验装置，(b)研究样品的热图像，(c)试验室示意图，(d)太阳辐照度和湿度的气象数据，(e，f)DRC和黑色油漆样品在(c)中标记的特征位置的代表性温度

结论与展望

本文基于VO2的相变器件设计了一种在实际天气条件下的被动动态辐射制冷器件，解决了相变温度、寄生太阳吸收、动态温度调制和原型设备等关键因素。结果表明，平坦化的VO2器件在强烈的太阳照射下在炎热的白天实现了制冷效果，并在寒冷的夜晚自适应地关闭了制冷模式，与在炎热的日间加热而在寒冷的夜间制冷的黑色涂料对应物形成了鲜明的对比。除此之外，室温相变在使基于相变的辐射制冷器适应实际应用方面起着至关重要的作用，开发具有超低寄生吸收的直接沉积在VO2器件上的太阳能反射滤波器将增强动态辐射制冷性能并促进器件集成。动态辐射制冷是一项有前途的发展中的技术，预计基于相变的动态辐射制冷器可以在完全被动模式下运行，而不依赖于任何电气或机械源，将为对重量、可靠性和能耗有严格要求的各种应用提供潜在的候选。

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