前沿：基于漫反射显色特性的彩色辐射制冷装置

研究背景

      制冷技术与能源之间紧密关联，高效的制冷方案对于推动能源可持续发展具有显著的积极影响。传统主动制冷方案，如水冷、风冷等，通常需要额外的能源投入来实现温度降低。与传统的主动制冷方法相比，被动制冷更为环保和高效。它利用物体本身的热辐射特性，将热量通过辐射的方式传递至外部环境，从而降低温度。这种方法不仅减少了能源的使用，还有助于降低与传统主动制冷相关的碳排放和环境影响。这其中，辐射制冷作为一种高效且被广泛研究的被动制冷方法，通过辐射方式将能量传递至低温宇宙空间，从而实现热量交换。若希望达到较好辐射制冷效果，物体不仅需要在大气辐射窗口（8-13 μm）具有较高的辐射/吸收率，也需要在太阳辐射波段（300-2500 nm）具有高的反射率，因此更多的辐射制冷装置是白色或银色。然而，在众多实际应用场景，辐射制冷装置常需要具有特定颜色来实现美学目的，因此更高效的彩色辐射制冷装置也在近年来被广泛研究。

论文导读

      近年来，将辐射制冷与彩色滤光片相结合已成为一个热门的研究课题，该方案不仅促进能源可持续性发展，而且为设计和装饰提供了更多的选择。彩色辐射制装置可被广泛应用为屋顶材料和车辆涂层，为建筑和交通等诸多领域带来了新的可能性。然而显色与制冷常存在一定的冲突，因为显色通常涉及可见光范围内选择性吸收或反射，而太阳辐射的吸收则会引起物体升温，进而影响制冷效果。近日，国科大杭州高等研究院杨陈楹副研究员团队和浙江大学沈伟东教授团队合作，设计了一种基于薄膜结构的彩色辐射制冷装置，利用漫反射实现角度不敏感的颜色显示，大幅降低太阳辐射吸收，实现了优异的制冷效果。相关工作以Thin film-based colorful radiative cooler using diffuse reflection for color display为题于2023年8月11日发表在 PhotoniX 上。

主要研究内容

      本文提出了一种基于漫反射显色特性的彩色辐射制冷装置，该装置自上而下依次为平滑表面上的多层薄膜滤波单元、粗糙表面、空气、平滑表面上的反射镜（Film on Smooth surface-Rough surface-Air-Mirror on Smooth surface，FS-R-A-MS）。通过改变多层薄膜的膜系结构（优选为二氧化硅/二氧化钛交替堆叠膜系），可以实现可见光范围内选择性透射或反射。经多层薄膜透射后的光线不会被装置吸收，而经粗糙表面、反射镜及其间的空气间隙组成的漫反射单元漫反射后返回入射介质，实现特定的颜色显示，所显示的颜色几乎与漫反射光谱/颜色一致，与镜面反射光谱/颜色互补。该装置可以实现极高的太阳辐射反射率（反射率95.8% @300-2500 nm），为优异的辐射制冷效果奠定基础。此外，该装置在8-13 μm大气辐射窗口具有高的辐射/吸收率。所采用的玻璃基板（BK7）在8-13μm波长范围内呈现出整体较高的吸收率（80.7%），但由于BK7与空气存在较大的阻抗不匹配，在8.5-10.5μm范围内存在一个吸收谷。在顶部减反层（优选为硫化锌）和多层薄膜的协同作用下，该装置的吸收率相较于BK7得到显著提高，在8-13 μm波长范围内的平均吸收率为95.6%。在平均~700 W·m^?2太阳辐射强度条件下（约4小时测试时间），相较腔室内环境温度，该装置能够产生约7.1°C的平均温差。该辐射制冷装置展示了一种全新的色彩显示方法，尽可能减少了太阳辐射的吸收，并获得显著的辐射制冷效果，将促进能源可持续发展，有益于构建节约型社会。

技术突破

      该装置顶部为宽波段减反层（硫化锌薄膜），进一步降低装置在中红外波段的反射率，同时因其在可将光-近红外波段具有极低消光系数，不会对增加装置的太阳辐射吸收，也不影响其颜色显示。彩色滤光片材料可以对装置的显色和制冷效果产生显著影响。通过分析导纳图、可见/中红外反射光谱，彩色滤光片最终采用二氧化硅/二氧化钛交替堆叠膜系。通过改变薄膜层数与厚度，该装置可以显示多种颜色，满足消费者不同需求。同时，二氧化硅在8-10 μm范围、二氧化钛在10-14 μm范围内保持高吸收率，提高了玻璃基板（BK7）的整体吸收率。自上而下第一玻璃基板的后表面被石英砂充分研磨，透射光经随机纹理粗糙表面能够以不同角度入射到第二基板前表面的银反射镜上，进而以不同角度返回入射介质，实现漫反射显色效果。在入射光线非平行光条件下，装置在±50°范围内表现出角度不敏感颜色显色。本文还充分研究了随机纹理表面粗糙度、第一/第二基板之间的空气腔厚度等漫反射模块的结构特征对光学特性的影响。

      本项工作进行了连续24小时的辐射制冷实验，使用热电偶和功率计对温度和太阳辐照进行实时检测。提出的彩色辐射制冷装置在平均~700 W·m^?2太阳辐射强度条件下，温度显著低于腔室内环境温度（约7.1 °C温差）。夜间测试结果显示，该装置温度比环境温度低约15.9 °C。通过理论计算，该装置热平衡时的温差6.5-8.6 °C，与实验结果吻合，制冷功率116.1-153.0 W·m^?2。

观点评述

      本文提出了一种基于漫反射显色特性的彩色辐射制冷装置，可以被广泛应用于热管理和能源可持续发展。相比于同类方案聚焦于减小可见波段吸收光谱带宽，本文在显色机制上创新，从源头上摆脱显色产生的不可避免太阳辐射吸收与制冷之间的制约关系。得益于此结构，在300-2500 nm范围内实现了超低（4.2%）的太阳辐射吸收。此外，所提出的彩色辐射制冷装置在大气透明窗口范围内表现出高的发射率，在8-13 μm范围内的平均理论/实际吸收率分别为92.1%和95.6%，并在辐射制冷实验中展现出远低于腔室环境的温度（7.1 °C）的制冷效果。

主要作者

      温俊仁，国科大杭州高等研究院2022级博士研究生，研究方向为光学薄膜及其应用，有关研究成果以第一作者发表在PhotoniX、ACS Photonics等期刊。

      杨陈楹，国科大杭州高等研究院副研究员。主要研究方向是微纳结构/光学薄膜的光子学器件及仪器，包括超表面光场/光谱元件及紧凑薄膜元件研究，微纳结构光子学器件及其制备方法研究，阵列滤光片及可调谐滤光片微型光谱器件研发，基于人工智能的微型光谱传感/成像研究，超构光学运算/神经网络研究等。已发表学术论文30余篇，授权中国发明专利20余项，授权美国发明专利2项。入选首届中国博士后创新人才计划，获中国博士后科学基金会特别资助。

      沈伟东，浙江大学教授，博士生导师。主要研究方向为光学薄膜、微纳光子器件。近年来在学术期刊上发表论文130余篇，并获授权发明专利20余项（国际专利2项）。作为项目负责人先后承担国家863，自然科学基金，共用技术和企事业横向等项目50余项。研制出空间激光通信低光学畸变的光学薄膜元件，多种规格的特种滤光片，成功应用于各光学载荷上。担任Optica/SPIE光学薄膜会议国际委员。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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