論文信息：

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.

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202501840

研究背景

被動日間輻射冷卻是一種可持續且成本效益高的策略，通過反射太陽輻射，并通過紅外輻射將熱量釋放到寒冷的宇宙中。然而，對于因溫室效應而保持熱量的封閉空間而言，冷卻仍然是一個重大挑戰，尤其是對于透明輻射冷卻器。隨著全球對節能和環保技術需求的不斷增長，以及氣候變化的影響，人們對輻射冷卻技術的興趣日益濃厚。輻射冷卻系統的透明性為這些系統在窗戶、玻璃幕墻和涂層等領域的廣泛應用提供了巨大潛力。這項研究中，設計并制備了一種Janus透明輻射冷卻（JTRC）裝置。JTRC采用了一種簡單的三明治結構，由選擇性發射器（SE）、紅外反射器和寬帶發射器（BE）組成。我們制造了三種輻射冷卻器：選擇性發射器、SEIR反射器和 JTRC。實驗表明，JTRC通過有效反射外部近紅外輻射并吸收內部熱量，相比傳統玻璃窗和其他輻射冷卻材料，在戶外實驗中保持了最低的內部溫度。此外，通過自組裝單層（SAM）涂層進一步評估了其潛在應用，該涂層增強了JTRC表面的疏水性，實現了自清潔功能，同時不影響其光學或輻射性能，確保了持久的冷卻效果。這些策略推進了用于表面和空間應用的創新被動冷卻方法，而簡單、成本效益高的制造技術為輻射冷卻設備提供了實用、可擴展的解決方案。該設計通過提高內表面的發射率，增加內部輻射通量，從而促進被困熱量的逃逸，這一過程還通過自然對流得到了進一步優化。

研究內容

（圖1a）JTRC設備由50微米厚的ETFE（乙烯-四氟乙烯）層、271納米厚的紅外反射層和700微米厚的PDMS（聚二甲基硅氧烷）層組成。由于其耐用性、輕質和透明性，ETFE薄膜常用于大型建筑和工業中。理想情況下，JTRC的上表面應選擇性地發射與AW窗口對齊的光，以減少太陽和環境輻射的干擾（圖1c)。同時，下表面應展示寬帶吸收內部熱輻射，以實現最佳性能（圖1d）。紅外反射層主要反射太陽光譜，在遠紅外區域有效區分上下表面，使JTRC能夠獨立作為SE和BE運行（圖1b)。圖1e描述了傳統的透明輻射冷卻方法，該方法不適合白天的輻射冷卻，因為它允許大量的太陽能量進入可見光和近紅外區域。圖1f所示的方法仍然允許太陽光進入可見光范圍，但阻擋了近紅外區域，使光線對人眼透明，同時在白天部分可用。然而，這種方法也會反射出射輻射，影響其整體效率。圖1g展示了我們提出的設計方案。該設計通過提高內表面的發射率，增加內部輻射通量，從而促進被困熱量的逃逸，這一過程還通過自然對流得到了進一步優化。

圖1展示了Janus透明輻射冷卻器（JTRC）的概念和設計。a)JTRC的示意圖，包括選擇性發射器（SE）、由介電/金屬/介電結構制成的紅外反射器、布拉格反射器，以及寬帶發射器（BE）。寬帶發射器能夠傳輸可見光，反射近紅外光，在大氣窗口（AW）內表現出高發射率，并從下方封閉空間吸收熱量。b)JTRC的理想透射率和反射率光譜，其中淺橙色陰影區域代表從標準直接光譜（AM 1.5D）獲取的光譜輻照度。c)在大氣窗口（AW）內的理想發射率光譜（藍色陰影區域）和d)黑體輻射（深橙色陰影區域）的光譜。e)僅使用ETFE材料的SE冷卻器的示意圖及其工作原理，f)同樣使用ETFE和IR反射器的SE-IR反射器冷卻器的示意圖，g) JTRC冷卻器的示意圖，包括SE、IR反射器和BE，分別展示在封閉空間中的應用。

為了確定DMD結構中（D1/22 nm/D2）介電層的最佳厚度，以實現高太陽反射率（R-NIR）和可見光透過率（T-vis），D1和D2的厚度從0到60納米，以1納米為間隔進行了系統調整。通過計算T-vis和R-NIR與D1和D2的關系，確定了最佳配置（圖2a，b）。選擇D1和D2的最佳值，以最大化R-NIR的同時確保T-vis大于0.72，既滿足汽車窗戶的法定最低要求，又符合實際用戶的需求。最優厚度分別為30納米/22納米/29納米，相應的光譜見圖2c。圖2d和e展示了D3和D4的最佳值選擇。這些值的選定旨在最大化R-NIR的同時確保T-VIS大于0.72。最終確定的優化厚度分別為30納米、22納米、29納米、90納米和100納米，其對應的光譜如圖2f所示。

圖2展示了紅外反射器的優化過程。a)和b)分別為兩種TiO 2層（D1和D2）在不同厚度下的T-VIS和-RNIR模擬等高線圖，其中銀層固定在22納米。c)優化后的TiO 2/Ag/TiO 2結構的光學性質光譜。d)和e)分別為SiO 2和TiO 2層（D3和D4）在不同厚度下的T-VIS和-RNIR模擬等高線圖，其中D1層為30納米，銀層為22納米，D2層為29納米。f)優化后的TiO 2/Ag/TiO 2/SiO 2/TiO 2結構的光學性質光譜。ETFE薄膜和PDMS的折射率均設為1.4。

制造了三種輻射冷卻器，分別是SE、SE-IR反射器和JTRC。這些冷卻器如圖3a所示。圖3b展示了JTRC的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，顯示了DMD結構與BR層的疊加。隨后，我們測量了輻射冷卻器在太陽光譜范圍0.3至2.5微米內的透射率、反射率和吸收率光譜。所有冷卻器在太陽波長范圍內的光學響應如圖3c所示。圖3d展示了冷卻器在長波紅外（LWIR）區域的發射率，包括冷卻器的頂部和底部。所有冷卻器的頂部發射層相同，因此它們的發射率相似。這些冷卻器在遠紫外（AW）區域表現出高發射率，因此在散熱方面非常有效。

圖3. a)三件制造的輻射冷卻器樣品的照片（每個樣品尺寸為5厘米×5厘米）。這些標志經浦項科技大學和韓國大學授權使用。b)紅外反射器的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（比例尺：100納米）。c)三件制造樣品的太陽波長光譜。d)三件制造樣品的長波紅外光譜。

接下來，我們通過熱平衡方程來數值評估放置在封閉空間頂部的輻射冷卻器的冷卻性能。需要注意的是，這些熱平衡方程沒有考慮溫室效應，因為熱平衡方程中的控制體積被定義為整個腔室。過設定hcc = 8 Wm-2k-1和Tamb = 303 K，我們分析了冷卻器在溫度從300到380 K范圍內的四個熱流分量，如圖4a所示。由于hcc值受天氣條件影響，我們繪制了平衡溫度與不同hcc值的關系圖，以展示不同環境條件對冷卻性能的影響（圖4c）。我們還展示了SE與JTRC之間的冷卻功率差異（ΔPcool），并在全球地圖上進行了可視化，同時在右側顯示了六個選定城市的冷卻功率（圖4e（i，ii）)，因為ETFE-IR 反射器提供的冷卻功率與JTRC相似。

圖4展示了SE和JTRC在封閉空間中的輻射冷卻性能。a)SE（虛線）和JTRC（實線）的熱流；b)當hcc為8 W/m2·K?1時的Pcool值；c)不同hcc值下冷卻功率為零時的平衡溫度；d)全球氣候數據庫中的太陽輻照度數據，包括六個選定城市；e)SE與JTRC在全球范圍內冷卻性能的差異，同樣基于六個選定城市。這些計算基于2022年7月的平均地球表面溫度和太陽輻照度數據，數據來源于NASA蘭利研究中心（LaRC）的power項目，該項目由NASA地球科學/應用科學計劃支持。

為了實現有效的輻射冷卻，表面必須暴露在開闊的天空下。這種暴露使表面容易受到灰塵和其他污染物的污染。這種污染會通過減少可見光來阻礙輻射冷卻器的性能。為了解決這一問題，我們致力于使表面具有疏水性，從而實現自清潔功能。JTRC的表面由ETFE構成，初始水接觸角（WCA）≈90。（圖5a）。圖5b和c分別展示了JTRC前側（ETFE）和后側（背發射器）在太陽光譜中的光學特性變化。結果顯示，前后兩面的透射率和反射率沒有顯著差異。此外，圖5d和e還展示了JTRC在SAM涂層處理前后的發射率。前側的選擇性發射和后側的寬帶發射得以保持，這證實了SAM涂層并未改變其輻射特性。綜上所述，SAM涂層有效增強了JTRC表面的疏水性，提高了其自清潔能力，同時保留了高效輻射冷卻所需的光學和輻射特性。為了評估JTRC的耐久性，進行了摩擦測試和紫外線暴露測試（圖5f)。在這些測試前后，對JTRC的光學性能進行了檢查。如圖5g所示，原始樣品、摩擦測試后的樣品（過程1后）以及經過摩擦和紫外線暴露測試的樣品的反射率和透射率。此外，如圖5h所示，大氣窗口發射率在兩次測試后保持不變，這證實了JTRC的輻射特性得以保留。另外，如圖5i所示，SAM涂層JTRC表面的水接觸角（WCA）在過程1和過程2后保持相似，表明疏水性得到了維持。這些結果表明JTRC具備機械和抗紫外線性能，確保其在實際應用中的耐用性。

圖5.a)JTRC在自組裝單分子層（SAM）涂層前后的水接觸角（WCA）。b)前表面的反射率和透射率。JTRC的側面和背面在SAM涂層前后的對比。JTRC的正面和背面在SAM涂層前后的發射率對比。f) JTRC耐久性測試過程。g)反射率和透射率，h)發射率，以及i)JTRC耐久性測試后的WCA。

結論與展望

綜上所述，本文設計了一種Janus透明輻射冷卻裝置，該裝置由三個關鍵組件構成：SE用于實現高發射率。

在AW中，紅外反射器用于提高太陽輻射的反射率，而BE則用于在封閉空間內高效吸收熱量。紅外反射器采用DMD結構集成BR設計，優化了在可見光譜中的透明度，同時有效阻擋了太陽輻射的近紅外范圍。這種設計不僅保持了透明度，還實現了高效的冷卻性能。未來的工作可以利用深度學習或其他優化方法來改進紅外反射器的結構設計，通過高效探索更廣泛的設計空間，提高紫外線和近紅外區域的反射率。此外，通過調整銀層的厚度，還可以控制可見光的透射率和紅外反射率。如果重點是透光率，可以使用更薄的銀層；而為了提高冷卻性能，則可能更傾向于使用較厚的銀層。這種方法通過簡單控制沉積厚度，可以根據具體需求進行定制，而無需像以前的方法那樣需要額外的光刻工藝。ETFE薄膜在建筑應用中被廣泛采用，而PDMS因其700微米的厚度，常用于研究環境，具有易于加工的特點。盡管我們當前的研究中的發射器基于各向同性聚合物材料，具有平面幾何結構，能夠實現全向發射，未來通過集成微結構層，可以實現角度選擇性的熱發射和定向輻射冷卻，為在幾何受限環境中提供新的節能熱管理方案。為了提高市場可行性，可以省略紅外反射器中的BR層。這表明，隨著DMD結構量產技術的進一步完善和成熟，這種設計因其高透明度、靈活性和自清潔特性，在汽車、建筑窗戶以及需要熱管理的電子設備等多個行業中具有顯著的應用潛力。