论文信息：

Junkyeong Park, Hangyu Lim, Harit Keawmuang, Dongwoo Chae, Heon Lee,and Junsuk Rho.

Flexible Self-Cleaning Janus Emitter for Transparent Radiative Cooling in Enclosed Spaces，Small 2025, 2501840.

论文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202501840

研究背景

被动日间辐射冷却是一种可持续且成本效益高的策略，通过反射太阳辐射，并通过红外辐射将热量释放到寒冷的宇宙中。然而，对于因温室效应而保持热量的封闭空间而言，冷却仍然是一个重大挑战，尤其是对于透明辐射冷却器。随着全球对节能和环保技术需求的不断增长，以及气候变化的影响，人们对辐射冷却技术的兴趣日益浓厚。辐射冷却系统的透明性为这些系统在窗户、玻璃幕墙和涂层等领域的广泛应用提供了巨大潜力。这项研究中，设计并制备了一种Janus透明辐射冷却（JTRC）装置。JTRC采用了一种简单的三明治结构，由选择性发射器（SE）、红外反射器和宽带发射器（BE）组成。我们制造了三种辐射冷却器：选择性发射器、SEIR反射器和 JTRC。实验表明，JTRC通过有效反射外部近红外辐射并吸收内部热量，相比传统玻璃窗和其他辐射冷却材料，在户外实验中保持了最低的内部温度。此外，通过自组装单层（SAM）涂层进一步评估了其潜在应用，该涂层增强了JTRC表面的疏水性，实现了自清洁功能，同时不影响其光学或辐射性能，确保了持久的冷却效果。这些策略推进了用于表面和空间应用的创新被动冷却方法，而简单、成本效益高的制造技术为辐射冷却设备提供了实用、可扩展的解决方案。该设计通过提高内表面的发射率，增加内部辐射通量，从而促进被困热量的逃逸，这一过程还通过自然对流得到了进一步优化。

研究内容

（图1a）JTRC设备由50微米厚的ETFE（乙烯-四氟乙烯）层、271纳米厚的红外反射层和700微米厚的PDMS（聚二甲基硅氧烷）层组成。由于其耐用性、轻质和透明性，ETFE薄膜常用于大型建筑和工业中。理想情况下，JTRC的上表面应选择性地发射与AW窗口对齐的光，以减少太阳和环境辐射的干扰（图1c)。同时，下表面应展示宽带吸收内部热辐射，以实现最佳性能（图1d）。红外反射层主要反射太阳光谱，在远红外区域有效区分上下表面，使JTRC能够独立作为SE和BE运行（图1b)。图1e描述了传统的透明辐射冷却方法，该方法不适合白天的辐射冷却，因为它允许大量的太阳能量进入可见光和近红外区域。图1f所示的方法仍然允许太阳光进入可见光范围，但阻挡了近红外区域，使光线对人眼透明，同时在白天部分可用。然而，这种方法也会反射出射辐射，影响其整体效率。图1g展示了我们提出的设计方案。该设计通过提高内表面的发射率，增加内部辐射通量，从而促进被困热量的逃逸，这一过程还通过自然对流得到了进一步优化。

图1展示了Janus透明辐射冷却器（JTRC）的概念和设计。a)JTRC的示意图，包括选择性发射器（SE）、由介电/金属/介电结构制成的红外反射器、布拉格反射器，以及宽带发射器（BE）。宽带发射器能够传输可见光，反射近红外光，在大气窗口（AW）内表现出高发射率，并从下方封闭空间吸收热量。b)JTRC的理想透射率和反射率光谱，其中浅橙色阴影区域代表从标准直接光谱（AM 1.5D）获取的光谱辐照度。c)在大气窗口（AW）内的理想发射率光谱（蓝色阴影区域）和d)黑体辐射（深橙色阴影区域）的光谱。e)仅使用ETFE材料的SE冷却器的示意图及其工作原理，f)同样使用ETFE和IR反射器的SE-IR反射器冷却器的示意图，g) JTRC冷却器的示意图，包括SE、IR反射器和BE，分别展示在封闭空间中的应用。

为了确定DMD结构中（D1/22 nm/D2）介电层的最佳厚度，以实现高太阳反射率（R-NIR）和可见光透过率（T-vis），D1和D2的厚度从0到60纳米，以1纳米为间隔进行了系统调整。通过计算T-vis和R-NIR与D1和D2的关系，确定了最佳配置（图2a，b）。选择D1和D2的最佳值，以最大化R-NIR的同时确保T-vis大于0.72，既满足汽车窗户的法定最低要求，又符合实际用户的需求。最优厚度分别为30纳米/22纳米/29纳米，相应的光谱见图2c。图2d和e展示了D3和D4的最佳值选择。这些值的选定旨在最大化R-NIR的同时确保T-VIS大于0.72。最终确定的优化厚度分别为30纳米、22纳米、29纳米、90纳米和100纳米，其对应的光谱如图2f所示。

图2展示了红外反射器的优化过程。a)和b)分别为两种TiO 2层（D1和D2）在不同厚度下的T-VIS和-RNIR模拟等高线图，其中银层固定在22纳米。c)优化后的TiO 2/Ag/TiO 2结构的光学性质光谱。d)和e)分别为SiO 2和TiO 2层（D3和D4）在不同厚度下的T-VIS和-RNIR模拟等高线图，其中D1层为30纳米，银层为22纳米，D2层为29纳米。f)优化后的TiO 2/Ag/TiO 2/SiO 2/TiO 2结构的光学性质光谱。ETFE薄膜和PDMS的折射率均设为1.4。

制造了三种辐射冷却器，分别是SE、SE-IR反射器和JTRC。这些冷却器如图3a所示。图3b展示了JTRC的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示了DMD结构与BR层的叠加。随后，我们测量了辐射冷却器在太阳光谱范围0.3至2.5微米内的透射率、反射率和吸收率光谱。所有冷却器在太阳波长范围内的光学响应如图3c所示。图3d展示了冷却器在长波红外（LWIR）区域的发射率，包括冷却器的顶部和底部。所有冷却器的顶部发射层相同，因此它们的发射率相似。这些冷却器在远紫外（AW）区域表现出高发射率，因此在散热方面非常有效。

图3. a)三件制造的辐射冷却器样品的照片（每个样品尺寸为5厘米×5厘米）。这些标志经浦项科技大学和韩国大学授权使用。b)红外反射器的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺：100纳米）。c)三件制造样品的太阳波长光谱。d)三件制造样品的长波红外光谱。

接下来，我们通过热平衡方程来数值评估放置在封闭空间顶部的辐射冷却器的冷却性能。需要注意的是，这些热平衡方程没有考虑温室效应，因为热平衡方程中的控制体积被定义为整个腔室。过设定hcc = 8 Wm-2k-1和Tamb = 303 K，我们分析了冷却器在温度从300到380 K范围内的四个热流分量，如图4a所示。由于hcc值受天气条件影响，我们绘制了平衡温度与不同hcc值的关系图，以展示不同环境条件对冷却性能的影响（图4c）。我们还展示了SE与JTRC之间的冷却功率差异（ΔPcool），并在全球地图上进行了可视化，同时在右侧显示了六个选定城市的冷却功率（图4e（i，ii）)，因为ETFE-IR 反射器提供的冷却功率与JTRC相似。

图4展示了SE和JTRC在封闭空间中的辐射冷却性能。a)SE（虚线）和JTRC（实线）的热流；b)当hcc为8 W/m²·K?¹时的Pcool值；c)不同hcc值下冷却功率为零时的平衡温度；d)全球气候数据库中的太阳辐照度数据，包括六个选定城市；e)SE与JTRC在全球范围内冷却性能的差异，同样基于六个选定城市。这些计算基于2022年7月的平均地球表面温度和太阳辐照度数据，数据来源于NASA兰利研究中心（LaRC）的power项目，该项目由NASA地球科学/应用科学计划支持。

为了实现有效的辐射冷却，表面必须暴露在开阔的天空下。这种暴露使表面容易受到灰尘和其他污染物的污染。这种污染会通过减少可见光来阻碍辐射冷却器的性能。为了解决这一问题，我们致力于使表面具有疏水性，从而实现自清洁功能。JTRC的表面由ETFE构成，初始水接触角（WCA）≈90。（图5a）。图5b和c分别展示了JTRC前侧（ETFE）和后侧（背发射器）在太阳光谱中的光学特性变化。结果显示，前后两面的透射率和反射率没有显著差异。此外，图5d和e还展示了JTRC在SAM涂层处理前后的发射率。前侧的选择性发射和后侧的宽带发射得以保持，这证实了SAM涂层并未改变其辐射特性。综上所述，SAM涂层有效增强了JTRC表面的疏水性，提高了其自清洁能力，同时保留了高效辐射冷却所需的光学和辐射特性。为了评估JTRC的耐久性，进行了摩擦测试和紫外线暴露测试（图5f)。在这些测试前后，对JTRC的光学性能进行了检查。如图5g所示，原始样品、摩擦测试后的样品（过程1后）以及经过摩擦和紫外线暴露测试的样品的反射率和透射率。此外，如图5h所示，大气窗口发射率在两次测试后保持不变，这证实了JTRC的辐射特性得以保留。另外，如图5i所示，SAM涂层JTRC表面的水接触角（WCA）在过程1和过程2后保持相似，表明疏水性得到了维持。这些结果表明JTRC具备机械和抗紫外线性能，确保其在实际应用中的耐用性。

图5.a)JTRC在自组装单分子层（SAM）涂层前后的水接触角（WCA）。b)前表面的反射率和透射率。JTRC的侧面和背面在SAM涂层前后的对比。JTRC的正面和背面在SAM涂层前后的发射率对比。f) JTRC耐久性测试过程。g)反射率和透射率，h)发射率，以及i)JTRC耐久性测试后的WCA。

结论与展望

综上所述，本文设计了一种Janus透明辐射冷却装置，该装置由三个关键组件构成：SE用于实现高发射率。

在AW中，红外反射器用于提高太阳辐射的反射率，而BE则用于在封闭空间内高效吸收热量。红外反射器采用DMD结构集成BR设计，优化了在可见光谱中的透明度，同时有效阻挡了太阳辐射的近红外范围。这种设计不仅保持了透明度，还实现了高效的冷却性能。未来的工作可以利用深度学习或其他优化方法来改进红外反射器的结构设计，通过高效探索更广泛的设计空间，提高紫外线和近红外区域的反射率。此外，通过调整银层的厚度，还可以控制可见光的透射率和红外反射率。如果重点是透光率，可以使用更薄的银层；而为了提高冷却性能，则可能更倾向于使用较厚的银层。这种方法通过简单控制沉积厚度，可以根据具体需求进行定制，而无需像以前的方法那样需要额外的光刻工艺。ETFE薄膜在建筑应用中被广泛采用，而PDMS因其700微米的厚度，常用于研究环境，具有易于加工的特点。尽管我们当前的研究中的发射器基于各向同性聚合物材料，具有平面几何结构，能够实现全向发射，未来通过集成微结构层，可以实现角度选择性的热发射和定向辐射冷却，为在几何受限环境中提供新的节能热管理方案。为了提高市场可行性，可以省略红外反射器中的BR层。这表明，随着DMD结构量产技术的进一步完善和成熟，这种设计因其高透明度、灵活性和自清洁特性，在汽车、建筑窗户以及需要热管理的电子设备等多个行业中具有显著的应用潜力。