华科胡润AFM：定向辐射制冷薄膜

论文息：Seung-Ah Yu, Jae-Hyun Kim, Jinming He, et al. Sky-Directional Radiative Cooling Meta-Films for Daylighting Windows. Advanced Functional Materials, 2026: e77831.

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77831

研究背景

城市建筑中，墙体、窗户等垂直表面占据了外围护结构的大部分，其辐射换热行为与屋顶截然不同——既面向天空，也面向地面。夏季地面温度远高于环境，会向外辐射大量热能。传统各向同性辐射冷却器贴在垂直面上，会大量吸收地面热辐射，往往导致升温而非降温。有效的垂直面冷却需要角度选择性：增强朝天空的发射，同时压制朝地面的吸收，这就是非对称发射器的核心思路。Zhou等和Xie等先后用微楔结构和锯齿光栅验证了这一思路，但这些设计都是不透光的，无法用于窗户。窗户是建筑能耗的薄弱环节，普通玻璃虽然可见光透明，但在中红外波段近似黑体，会吸收地面辐射并将热量传入室内。如何在保持高可见光透射的同时实现中红外的角度选择性，一直是悬而未决的难题。

研究内容

这篇工作用几何光学介导的设计化解了上述矛盾。核心结构是一种透明非对称发射器（TAE）：在PET基底上制作周期250 μm的微棱镜阵列，并在朝地面的棱面上选择性沉积银膜。因为周期远大于工作波长，衍射效应可忽略，光学响应完全由几何光学决定。作者定义了一个品质因子，同时最大化天空方向的可见光透射（380–780 nm）和地面方向的中红外反射（8–13 μm），并排除城市中被建筑遮挡的低角度区间。参数扫描表明，上角90°、底角45°、银覆盖率ρ_Ag=0.6时，能在压制地面热辐射和维持采光效率之间取得最佳平衡。

图1窗口透明非对称发射器的概念。（a）黑色发射器、不透明非对称发射器和透明非对称发射器中辐射和太阳相互作用的示意图比较。（b）黑色发射器（顶部）和透明非对称发射器（底部）垂直表面的太阳光谱辐照度和净光谱辐照度。黄色、红色和蓝色线分别表示太阳热增益、地面热流入和净MIR热通量；正负值表示净加热和冷却。（c）透明非对称发射器工作原理的示意图。（d）PET基微棱镜薄膜涂银前后的照片（左）和（右）。

图2透明非对称发射器的设计和测量。（a）几何设计和优化过程。定义设计参数的横截面单元单元，包括棱镜角 (α, β) 和银覆盖率（ρAg）（左），以及作为 α, β, 和ρAg函数的计算值（FoM）（右）。（b）优化结构的计算全向光学性能（α=45◦, β = 90，ρAg=0.6）。可见光透射率（左）和MIR发射率（右）作为入射角（θ）和方位角（φ）的函数。蓝色和红色区域分别代表天空和地面角度区域。（c）计算出不同银覆盖率的入射角（θ）范围内的角分辨可见光透射率，ρAg（左），以及ρAg=1和ρAg=0（右）时θ=30的内部光线追踪图。（d）计算出到达后玻璃界面的透射率作为后入射角（θr）的函数。阴影轨迹表示在后玻璃表面经历全内反射（TIR）的光路。（e）可见光透射率（左）和MIR发射率（右）的测量角分辨光谱。（f）在θ=−60°、−30°、0°、30°和60°拍摄的TAE可见光和红外图像。

样品通过卷对卷压印PET微棱镜，再以60°倾角电子束蒸发银制成，蒸镀的方向性确保了银只落在朝地面的棱面上，实测ρ_Ag≈0.6，外层覆10 nm SiO₂防氧化。测量数据确认：在0°–75°入射角下，天空面可见光透射平均75%，韩国冬夏典型太阳高度角下分别保持59%和94%；天空面中红外发射率0.95，地面面被压制到0.16。可见光和红外相机图像直观展示了"正面透明、反面镜面、正向强发射"的非对称特性。

为了排除对流干扰，作者在<10⁻² Torr的真空腔中进行受控实验：顶部冷台模拟0°C天空，底部热台模拟受热地面（最高80°C）。当热台升至80°C时，裸玻璃黑体发射器（BE）温度随之大幅攀升，而TAE因地面方向极低吸收，温度仍维持在30°C左右，相对BE降温达26.4°C。

图3透明不对称发射器的室内和室外现场测试。（a-c）冷级（0°C）和temperature-controlled热级的室内真空室测量。（a）室配置示意图。（b）TAE和BE热级温度逐步升高下的时间相关样品温度。（c）TAE和BE热级温度的稳态温度函数。

户外实测于2025年11月12日在韩国进行。TAE与两个对照组——金属镀层白发射器（WE）和裸玻璃黑体发射器（BE）——垂直向南安装，三组样品太阳透射率光谱匹配，确保温差来自角度热辐射差异。地面温度达31.5°C时，TAE背面封闭空间温度25.2°C，比BE低约10.1°C，比WE低约3.2°C。BE因吸收地面辐射明显升温；WE虽能反射地面辐射，但缺乏朝天空的发射能力，仍比TAE热。另一天地面温度27.7°C时，TAE同样持续低于两个对照组。

图3（d，e）2025年11月12日永仁开阔天空条件下的室外测量。（d）实验装置的照片和使用黑色吸收器和Al聚酯薄膜反射器的样品安装和热电偶放置示意图。（e）太阳辐照度和时间相关温度 WE、TAE、BE、地面和环境空气（顶部）。TAE和WE/BE之间的温差（底部）。

为了评估全球节能潜力，作者构建了稳态建筑能耗模型，首次将角度依赖的光学性质和真实时变地面温度同时纳入仿真。以美国能源部中层公寓为原型，用Princeton城市冠层模型估算沥青地面温度。首尔独立建筑的月度能耗显示，TAE在4–10月节能最显著，相对BE减少6–10 GJ/月，全年总能耗1,633 GJ，与理想季节性发射率调制技术的下限（1,599 GJ）相当。全球6,697个气象站的测算呈现出清晰的纬度趋势：低纬度干旱区节能最显著（撒哈拉中部峰值106.5 MJ/m²），高纬度寒冷区收益递减甚至被WE反超——因为高纬度冬季地面温度低，WE通过压制朝天空发射来保留室内热量反而更省供暖能耗。

图4全年能源消耗。（a）建筑能耗模型示意图，包括太阳能增益（Psun）、传导传热（Pcond）、辐射交换（Prad）和对流传热（Pconv），室内和室外窗户表面温度（Tw，in和Tw，out）。（b）韩国首尔的Emon和平均地面温度。（c）武汉、凤凰城、首尔和费尔班克斯四个代表性城市的年计算值，包括纬度。（d）考虑相邻结构时，这四个城市的年计算值。（e）TAE世界许多城市的年冷却节能潜力与具有相邻结构的建筑的BE相比。

结论与展望

这篇文章的价值在于第一次把自清洁真正放进光伏光谱调制的框架里来谈，而不是作为两个独立话题各说各的。它给出的"ABG抗反射–SBG反射–LWIR发射–自清洁"四位一体原则，为下一代光伏表面材料提供了一个清晰的设计坐标系。当然，现实挑战也不少：LWIR发射层的引入可能增加太阳波段散射；自清洁需要的微纳结构往往跟光学透明性打架；长期户外暴露下的磨损、挥发、水解问题远未完全解决。文章指出的几个值得跟进的方向比较务实：发展带隙自适应的设计框架，用AI来辅助多功能架构的逆向优化，推进卷对卷纳米压印等大面积制造工艺，以及探索自适应或自愈合表面。整体来看，这个领域正在从"把单个波段做好"往"全光谱协调+长期可靠"的方向走，这篇文章算是给这条路线画了一张比较完整的地图。