透明辐射冷却器：材料策略、光学设计、新兴应用及其他

《Nano Energy》：Transparent radiative coolers: Material strategies, optical design, emerging applications and beyond

本文系统综述了透明辐射冷却器（TRC）领域的最新进展。TRC作为一种创新的被动热管理策略，独特地结合了高可见光透过率和强中红外（MIR）发射能力，能够在传输日光的同时耗散多余热能。文章梳理了本征TRC、纳米颗粒增强TRC及微/纳结构TRC三大设计路径的机理、性能与应用潜力，涵盖建筑节能、光伏增效、电子冷却和农业温室等应用场景，并探讨了其在可见光透射率与MIR发射率之间的权衡优化、耐久性及可扩展制造等关键挑战，展望了其作为下一代平台在能源可持续性、热舒适性和环境适应性的广阔前景。

　　

透明辐射冷却器是一种新兴的被动温度控制技术，它通过中红外（MIR）辐射将表面热量发射到外层空间，其核心物理机制依赖于大气在8-13 μm波段的“透明窗口”，热量可在此波段内几乎无阻碍地逃逸至寒冷的太空，从而实现无需外部能量的亚环境冷却。传统的辐射冷却器多呈现白色，通过强烈反射太阳光并高效发射中红外辐射来实现日间冷却，但其冷却性能严重依赖于在太阳光谱范围内的反射率，这限制了其在需要颜色或透明度的领域（如建筑、电子显示和农业温室）的应用。为解决此问题，人们开发了彩色辐射冷却器（CRC），但颜色的引入通常会增加太阳光吸收，从而影响冷却性能。透明辐射冷却器（TRC）代表了另一个重要发展方向，它强调光学透明性，允许可见光通过，同时在MIR波段有效辐射热能，这种双重功能对于需要透明度和冷却的系统（如光伏模块、建筑窗户、光学显示器和光电器件）极为有用。

核心机理与性能权衡

透明辐射冷却器必须同时满足多项相互矛盾的光热需求。首先，它需要维持高可见光透射率和可控的雾度水平，以平衡透明度和视觉扩散效果。其次，必须在8–13 μm的大气窗口中提供高发射率，以实现高效的热量释放。最后，它需要抑制不必要的太阳光吸收，即反射紫外（UV, <0.4 μm）和近红外（NIR, 0.8–2.5 μm）波段的能量。满足所有这些目标需要精心的材料选择、结构设计和光谱控制。TRC的冷却性能可由热辐射理论描述。其净冷却功率（P_net）是材料自身辐射功率（P_rad）减去吸收的太阳辐射功率（P_solar）、吸收的大气辐射功率（P_atm）、非辐射热损失（P_non-rad）以及透过TRC并被室内环境吸收后反馈回系统的热量（P_trans-env）的综合结果。与不透明的辐射冷却器不同，TRC由于允许部分太阳辐射透过，其性能受到安装条件、建筑配置和环境因素的强烈影响，评估更为复杂。实现高可见光透明度、低太阳得热和高MIR发射率之间的平衡是其面临的核心挑战。

透明度、颜色与雾度控制

对于TRC，对透射光的控制是其性能和应用的核心。透明度主要分为两类：全透明TRC在可见光谱范围内具有均匀的透射率，适用于需要自然采光和色彩保真度的窗户和显示器；部分透明TRC则调节特定光谱区域，可用于温室覆盖物和彩色薄膜，通过选择性透射或过滤特定波长，产生着色外观的同时减少太阳得热。在TRC中，颜色由透射光的光谱分布定义，区别于不透明彩色辐射冷却器中反射主导的颜色。当引入颜色功能时，透明辐射冷却器演变为彩色透明辐射冷却器（CTRC），它结合了可见光范围内的光谱选择性和部分透明性。CTRC在可见光范围引入光谱选择性，其中只有特定波段的优先透过，从而实现着色的同时保持部分透明，这比无色系统更为复杂。雾度，定义为可见光范围内前向光散射的程度，是决定TRC功能透明度的一个关键参数。低雾度确保清晰的视野和高图像保真度，而可控的雾度则有利于防眩光、漫射照明或增强辐射冷却效率。雾度可以通过控制散射中心（如微粒尺寸、分布）和折射率对比度来与总透射率解耦，从而针对特定应用进行定制。

材料设计策略

为实现透明辐射冷却，研究者们主要发展了三种材料设计策略：本征TRC、纳米颗粒增强TRC和微/纳结构TRC。

本征TRC 利用天然或生物衍生聚合物（如丝素蛋白、纤维素）的固有振动模式来实现MIR发射率，同时保持可见光透明性，无需额外的纳米颗粒或工程光子结构。例如，透明的丝素蛋白辐射冷却器（TSRC）利用了酰胺（–CO–NH–）基团的N-H和C=O伸缩振动实现高MIR发射率，同时可见光透射率可达0.91，在户外条件下最大降温达12.1 °C。基于纳米纤化纤维素（NFC）铸造的透明纤维素薄膜则利用–C–O和–O–H振动键实现辐射冷却，可见光透射率达0.90。更先进的工作引入了动态或刺激响应功能，如具有Janus纳米结构的细菌纤维素（BC）薄膜，在干燥时高散射呈不透明，在湿润（折射率匹配）时则变得透明，实现了透光性的动态调控。本征TRC具有制造简单、可持续的优点，但通常在光谱选择性和冷却性能上面临挑战，且长期户外耐久性是需要关注的问题。

纳米颗粒增强TRC 将无机纳米颗粒（通常为SiO₂）嵌入聚合物基质中，以同时增强可见光透明度和MIR发射率。例如，将SiO₂纳米球嵌入聚甲基戊烯（TPX）基质中，可制备出具有自清洁功能的纳米复合材料薄膜，可见光透射率约0.90，MIR发射率>0.85。另一项研究将n-十六烷填充的SiO₂气凝胶微粒分散在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中，在优化负载下实现了>0.98的发射率和>0.91的可见光透射率。通过使用树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒（DMSNs）等特殊形貌的颗粒，可以进一步改善光学性能并减少光散射。此类设计还允许引入紫外（UV）阻挡、自清洁和电磁干扰（EMI）屏蔽等多功能特性。此外，通过引入等离子体纳米颗粒（如Au@SiO₂核壳结构）或具有手性向列结构的纤维素纳米晶体（CNCs），可以实现光谱选择性着色，在产生颜色的同时保持高可见光透射率和MIR发射率。纳米颗粒增强TRC具有可调性和多功能性，但大多数系统一旦制备完成，其光谱状态是固定的，缺乏实时调制能力。

微/纳结构光子TRC 利用表面纹理、多层介质堆叠或模板化的微/纳结构来精确操纵太阳光谱和热光谱。例如，一维多层结构，如在碳化硅（SiC）衬底上构建的SiO₂/TiO₂/ITO堆栈，结合了可见光减反射和高MIR发射率（~0.80），并利用SiC衬底进行高效横向热扩散，适用于微型电子设备冷却。通过结合量子退火和主动学习等计算逆设计方法，可以优化多层光子结构（如SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、TiO₂薄膜与PDMS盖层），实现接近1的平均MIR发射率和~0.90的可见光透射率。二维混合光子结构，如结合TiO₂/MgF₂布拉格反射器和穿孔Ag窗纱反射器的设计，可以在保持中性可见外观的同时实现光谱选择性。三维微结构，如基于聚合物的微光子多功能超材料（PMMM）金字塔表面，可同时提供>0.95的透明度、约73%的透射光扩散、接近0.98的MIR发射率以及超疏水自清洁功能。结构维度和厚度在光谱控制中扮演不同角色，一维结构薄且依赖干涉，而二维和三维结构通常更厚，可增强MIR吸收和发射。微/纳结构TRC性能优异且功能多样，但面临大规模制备、光学均匀性和机械鲁棒性等挑战。

应用前景与挑战

透明辐射冷却器的应用研究揭示了其显著优势。在建筑领域，TRC可集成于窗户，在允许自然光进入的同时减少太阳得热，降低建筑冷负荷，节约能源。在光伏领域，将其应用于太阳能电池表面，可以在不显著阻挡入射光的情况下降低电池工作温度，提高光电转换效率（PCE）和器件寿命。在电子领域，TRC可用于显示器、LED和微电子设备的冷却，缓解过热问题，提高稳定性和性能。在农业领域，作为温室覆盖材料，TRC可以调控室内温度，提高作物生产力。尽管进展迅速，TRC的发展仍面临多项挑战。最核心的挑战在于太阳光透明度和红外发射率之间的平衡优化，在许多材料体系中，由于非理想的光谱选择性，在所需可见光波长范围内实现高透明度的同时保持强MIR发射仍然困难。此外，机械柔性、环境耐久性、可扩展制造和可持续性等实际考量也需解决，以确保其在实际应用中的可行性。展望未来，机遇在于形态工程纳米材料、多功能混合设计以及计算引导的优化，以进一步提升性能和可制造性。通过整合透明性、冷却效率和多功能性，透明辐射冷却器有望成为下一代能源可持续性、热舒适性和环境适应性的重要平台。