論文信息：

Guowei Liu, Shujing Chen, and Chengyou Lin, Optimization of Dielectric-Metal Multilayer Structure for Color-Preserving Radiative Cooling Window, ACS Omega Vol 9/Issue 28, 30435 (2024).

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https://doi.org/10.1021/acsomega.4c01792

研究背景

如今，建筑物的供暖、制冷、通風(fēng)和人工照明占總能耗的30%以上。窗戶是建筑物能耗的一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)榇罅康墓夂蜔釙?huì)通過(guò)窗戶傳遞。節(jié)能窗戶的一種常見(jiàn)方法是在標(biāo)準(zhǔn)玻璃上使用紅外濾光片，阻擋紅外波段的陽(yáng)光，同時(shí)允許可見(jiàn)光波段的光線通過(guò)，從而降低室內(nèi)溫度。多種節(jié)能窗戶引起了廣泛關(guān)注，例如透明熱反射器、電致變色窗戶和熱致變色窗戶。例如，2016年，Dalapati等人提出了一種玻璃上的TiO2/Cu/TiO2多層薄膜，可用作熱反射器，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下的最高透射率為90%，在1200nm波長(zhǎng)下的紅外反射率為85%。2018年，Piccolo等人描述了旨在評(píng)估電致變色(EC)窗性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算機(jī)仿真建模的結(jié)果，證明了所研究的EC裝置在降低熱負(fù)荷方面是有效的。2019年，Salamati等人提出了一種新型熱致變色涂層，可在夏季反射不需要的近紅外輻射，從而節(jié)省更多能源。盡管有這些創(chuàng)新，但節(jié)能窗的傳統(tǒng)紅外濾光片仍會(huì)因?yàn)榇┻^(guò)大部分可見(jiàn)光而導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高，這表明需要在節(jié)能窗設(shè)計(jì)中采用新策略來(lái)進(jìn)一步提高冷卻效率。

研究?jī)?nèi)容

輻射冷卻窗口已被設(shè)計(jì)成在大氣透明窗口發(fā)射紅外輻射、反射近紅外光、允許可見(jiàn)光通過(guò)，但在可見(jiàn)光的透過(guò)率、近紅外光的反射率和中紅外光譜的發(fā)射率方面仍有待改進(jìn)。本文提出了一種保色輻射冷卻窗口，由多層膜作為透明近紅外反射器、聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為熱發(fā)射器。該設(shè)計(jì)通過(guò)遺傳算法對(duì)薄膜材料種類、層數(shù)和薄膜厚度進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)比了不同層數(shù)的多層膜的性能，選擇了7層多層膜（Al2O3/Ag/Al2O3/Ag/Al2O3/Ag/Al2O3）作為透明近紅外反射器。然后，對(duì)其光譜特性進(jìn)行了深入分析。接著，作者在透明近紅外反射器上方放置了100μm厚的PDMS作為熱發(fā)射體，將透明近紅外反射器與PDMS組合，利用遺傳算法，實(shí)現(xiàn)了保色的輻射冷卻窗口，其可見(jiàn)光平均透過(guò)率平坦且寬譜帶（86%），近紅外平均反射率高（86%），大氣窗口平均熱發(fā)射率高（95%），非輻射熱系數(shù)分別為0、6、12W/m2/K時(shí)，溫度分別下降22.3、21.2、15.8K。

圖1.(a)理想透明輻射窗的反射和透射光譜和(b)發(fā)射光譜。(c)透明NIR反射器的示意圖。(d)保色輻射冷卻窗的示意圖。

圖2.步驟(1)：所提出的透明近紅外反射器首先對(duì)多層膜進(jìn)行遺傳優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化其層材料、厚度和層數(shù)，以達(dá)到所需的多光譜特性。步驟(2)：然后將優(yōu)化的TNR與熱發(fā)射器相結(jié)合，以增強(qiáng)大氣窗口內(nèi)的發(fā)射。

圖3.(a)3、5和7層多層膜的Ttar與優(yōu)化T?VIS之間的關(guān)系。(b)3、5和7層多層膜的Ttar與優(yōu)化R?NIR之間的關(guān)系。

圖4.(a)各代TNR9的T?VIS和R?NIR。(b)各代TNR9的MF和RMSE(90%)。(c?f)第一代、第十代、第三十代和第一百代最佳TNR結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)透射率和反射率光譜。

圖5.(a)不同TNR的透射光譜，其T?VIS達(dá)到不同的Ttar。(b)不同TNR的反射光譜，其T?VIS達(dá)到不同的Ttar。

圖6.具有不同Ttar的TNR的(a)T?VIS和(b)R?NIR光譜隨入射角的變化。(c)具有不同Ttar的TNR的透射顏色色度圖。

圖7.CPRCW1和CPRCW2的透射光譜（a）和反射光譜（b）。（c）CPRCW1和CPRCW2的透射色色度圖。

結(jié)論與展望

總之，本文設(shè)計(jì)了一種保色輻射冷卻窗，它可以保持顏色并降低溫度。通過(guò)基于遺傳算法和傳輸矩陣法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，作者將太陽(yáng)能管理（波長(zhǎng)相關(guān)的透射/反射）和輻射冷卻結(jié)合在介電層和金屬層的平面多層堆棧中。與大多數(shù)以前的設(shè)計(jì)不同，此文設(shè)計(jì)的透明冷卻窗具有寬帶和平坦的透射率，可在可見(jiàn)光波段保持顏色，并具有高NIR反射率以阻擋大部分NIR光成分。這是通過(guò)利用GA優(yōu)化CPRCW來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以將平均可見(jiàn)光透射率固定在10%和90%且方差最小，相對(duì)平均NIR反射率為91%和86%。雖然CPRCW1和CPRCW2的Ttar分別為10%和90%，但由于方差，它們的實(shí)際T?VIS分別為9.5%和86%。此外，通過(guò)在TNR上放置均勻的100微米厚的PDMS層，演示了寬帶熱發(fā)射，該層在寬廣的中紅外范圍內(nèi)顯示出高熱發(fā)射率(95%)。通過(guò)將TNR與100微米厚的PDMS相結(jié)合，GA實(shí)現(xiàn)了保色輻射冷卻窗口。本文提出的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)10%至90%之間的不同透過(guò)率，可用于低能見(jiàn)度（如頭盔、遮陽(yáng)板或護(hù)目鏡）和高能見(jiàn)度（如建筑物和汽車窗戶）的輻射冷卻。

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