北京科技大學王存海/劉敬崇RSER：半透明輻射冷卻材料與應用前沿

輻射冷卻技術通過大氣窗口將熱量直接散逸至外太空，是一種零能耗的被動降溫方案。然而，傳統輻射冷卻器多為不透明，難以滿足窗戶、光伏玻璃等需兼顧采光與降溫的場景。半透明輻射冷卻（STRC）材料需在可見光高透過、近紅外高反射與大氣窗口高發射之間取得平衡，這構成了其核心設計矛盾。本文從黑體輻射理論出發，闡述了STRC的能量平衡與光譜選擇原則，并將材料分為靜態與動態兩大類，系統總結了光子結構、超材料及智能復合材料在輻射制冷中的進展，同時探討了其在建筑、光伏、電子、淡水收集及農業等領域的應用潛力。相關工作以Semi-transparent radiative cooling materials and applications: A critical review為題發表在Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊。

這篇綜述首先闡述了STRC的基本冷卻原理與能量平衡模型（圖1），指出其核心挑戰在于平衡可見光高透過率與大氣窗口高發射率之間的固有矛盾。在此基礎上，將STRC材料分為靜態材料和動態響應材料兩大類進行深入討論（圖2）。靜態STRC材料：早期研究通過聚合物-顆粒復合實現了初步的輻射冷卻效果，但存在透光率與發射率的權衡問題。近年來，通過光子晶體結構和Janus界面工程，實現了>0.9的可見光透過率和>0.94的大氣窗口發射率，降溫幅度達5-16℃（圖3）。動態STRC材料：針對靜態材料無法適應環境變化的局限，研究者開發了溫度和電壓響應材料（圖4和圖5）。溫度響應材料以VO?熱致變色材料和PNIPAM水凝膠為代表，實現了紅外發射率在不同溫度下的智能切換。電壓響應材料則通過電致變色或可逆金屬電沉積，實現對可見光、近紅外和長波紅外多波段的獨立動態調控，展示了全天候自適應熱管理的巨大潛力。

進一步，文章系統分析了STRC技術在五大關鍵場景的應用突破：在建筑節能領域，基于卷對卷工藝和量子計算輔助設計的透明輻射冷卻窗戶，可使室內溫度降低6℃，年均節能達50 MJ/m2（圖6）；在光伏系統中，SiO?光子晶體等透明冷卻層可使電池溫度降低13-18℃，效率提升1-2%（圖7）；在電子器件熱管理中，超薄柔性透明冷卻薄膜成功應用于柔性顯示屏和手機屏保，實現3.9℃的降溫（圖8）；在淡水收集方面，結合日間蒸發與夜間輻射冷卻的全天候集水裝置，日產水量可達0.87 kg/m2（圖9）；在農業應用中，具有高光合有效輻射透過率和輻射冷卻功能的薄膜，降低溫室溫度并減少水分蒸發，作物鮮重提升超100%（圖10）。

圖1.輻射制冷原理圖

圖2. STRC的主要材料及應用方法

圖3.輻射冷卻涂層的結構與特性(a)纖維素-二氧化硅微顆粒復合材料。(b)純SiO2顆粒及三種不同粒徑超材料紙的紅外吸收特性。(c) SiO?顆粒在PMMA基質中的有序排列。(d)不同SiO2粒徑下透射率與發射率的變化。(e)涂層內部輻射傳熱過程及微觀結構。(f)實驗過程中不同涂層條件下的溫度分布云圖，從隨機復合材料到光子晶體及Janus界面的發展過程，展示了在解耦透明度與發射率方面日益精巧的設計思路。

圖4.溫度響應型降溫薄膜的特性與性能。(a)熱致變色透明木材窗的工作原理。(b) VO2熱致變色透明木材薄膜與普通玻璃的窗口溫度及隨溫度變化的熱容。(c)不同厚度下聚偏氟乙烯（PVDF）與PNIPAM薄膜的實測反射光譜。(d)聚偏氟乙烯與PNIPAM薄膜溫度及環境溫度的變化曲線。(e) VO2薄膜熱發射體在冷態與熱態下的狀態。(f) VO2薄膜熱發射體在高溫狀態下的透射光譜與吸收光譜。盡管基于VO2的系統具有較高的調制能力，水凝膠替代方案以環境穩定性為代價降低了相變溫度，而超表面設計雖改善了透明度，卻繼承了耐久性方面的不足。

圖5.電壓響應型降溫薄膜。(a)電壓響應型動態紅外發射率調制器結構。(b)表面電勢作用下AZO薄膜的模擬與實驗光譜數據對比。(c) CNC-PED電致變色器件的集成結構示意圖。(d) CNC3-PED電致變色器件在褪色狀態下的光學照片，展示了高透明度。(e)透射率變化及對應的光學照片。(f)戶外實驗裝置示意圖及實物照片。(g) CNC3-PED電致變色器件在著色與褪色狀態下的照片及對應的紅外熱像圖。(h)消光變化模擬光譜圖。

圖6.建筑窗戶的結構與特性。(a)建筑降溫原理。(b)輻射冷卻纖維素玻璃的紅外熱像圖及掃描電鏡圖像。紅外圖像在50℃條件下采集，以銅塊（發射率=0.5）作為背景。左側：外側（發射率0.95），表觀溫度高于背景；右側：內側（發射率0.3），表觀溫度約為22℃。(c)上圖：透明輻射冷卻器（TRC）的層狀結構及內部平面多層庫（PML）的組成；下圖：量子計算輔助主動學習方案示意圖。(d)左圖：TRC均勻光學透明性的照片展示；右圖：TRC作為窗材料在美國16個城市的節能模擬值。(e)頂部選擇性發射體與底部彩色濾光片的結構示意圖。(f)上圖：雨水驅動的主動自清潔機制及室內模擬實驗；下圖：露水驅動的被動自清潔機制及室內模擬實驗。

圖7.光伏冷卻中的應用。(a)晶體硅太陽能電池結構的四種示意圖。(b)采用不同熱發射體設計的太陽能電池的發射率與吸收光譜。(c)太陽能電池的溫度。(d)屋頂實驗裝置及二氧化硅光子晶體。(e)太陽吸收體從紫外到中紅外的發射率/吸收光譜。黑線：裸露吸收體；藍線：帶平面SiO?層的吸收體；紅線：帶SiO?光子晶體的吸收體。(f)直徑為8μm的微球在10μm波長光照下（y偏振，z方向傳播）的遠場輻照度角分布，表明高階電磁共振模式的激發。(g)封裝太陽能電池的照片（左）及其橫截面示意圖（右）。(h)樣品暴露于直射陽光和開闊天空下的圖像。(i)樣品溫度、環境溫度及太陽輻照度的實測值。

圖8.電子元件的結構與性能。(a)復合冷卻概念示意圖。(b)光子結構、平面二氧化硅及ZnO/Ag/ZnO的發射]。(c)三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯輻射冷卻涂層的制造工藝。這清晰地展示了電子熱管理領域的技術演進：從復雜、高精度的納米結構向可規模化、經濟高效的涂層過渡。(d)實驗裝置示意圖，附有戶外日間與夜間測試的實時溫度數據。(e)熱發射薄膜在手機防護屏中的應用及其輻射冷卻性能測試。(f)不同傳熱系數下PDMS3PG3/t4的理論凈冷卻功率；PG3/t4與PDMS3PG3/t4在模擬太陽光照下的溫度記錄曲線；多種條件下的實際太陽輻照度；以及在北京安裝的設備上對PG3/t4和PDMS3PG3/t4進行戶外冷卻測量的實時溫度記錄曲線，這些結果成功驗證了其在實際器件級集成中的亞環境冷卻能力。

圖9.淡水收集的特性與性能。(a)淡水收集裝置及其能量流動示意圖。(b)戶外實驗過程中PDMS薄膜及環境溫度的變化。PDMS溫度1和溫度2分別對應0°和30°傾斜角。(c)戶外實驗期間全天淡水收集的詳細數據。(d)三級蒸餾系統示意圖。頂層為雙功能薄膜，日間吸收太陽能驅動蒸發，夜間通過輻射冷卻實現表面冷凝。(e)基于混合定向輻射冷卻與太陽能加熱的V形裝置結構示意圖。(f)不同接觸角薄膜的“天空窗口”發射率隨液滴投影面積覆蓋率的變化關系。(g)摻雜SiO2微顆粒（直徑4?μm，體積分數6%，厚度70?μm）的PMMA薄膜發射率模擬值與實測值對比。

圖10.農業生產中的應用。(a)不同覆蓋材料在可見光下的熱輻射特性。(b)試驗溫室與對照溫室中作物生長情況對比。(c)輻射冷卻薄膜的微觀層狀結構。(d)實驗中所用不同覆蓋材料的光譜。(e)不同薄膜覆蓋下作物的生長狀況。(f)溫室覆蓋層對可見光散射及近紅外光反射的示意圖。(g)基于薄膜霧度與區域太陽輻射的三維番茄植株模型上的模擬光分布。從單一降溫薄膜向融合光譜選擇性、節水與勻光功能的多功能設計的演變，反映了農業應用日益增長的復雜性。

小結：綜上所述，半透明輻射冷卻材料通過在可見光高透過、近紅外高反射與大氣窗口高發射之間取得光譜選擇性平衡，緩解采光與降溫之間的矛盾。文章將STRC材料歸納為靜態與動態兩大類，并對在建筑、光伏、電子元器件、大氣集水、農業等場景中的應用進行了梳理。文章進一步指出，盡管STRC材料在光譜選擇性調控方面進展顯著，但面臨諸多挑戰：一是環境穩定性與適配性不足，材料難以在應用場景中長期運行；二是缺乏標準評價體系，不同研究難以建立可比性能數據庫，制約工程轉化；三是成本高，高性能依賴復雜設計和工藝，難以規模化生產。未來，可借助智能算法逆向設計，融合多功能、降低成本，通過跨學科創新，在多領域發揮更大作用，助力碳中和。

論文信息W Peng, Z Sun, Q Liang, J Zhang, J Wei, J Liu, C Wang. Semi-transparent radiative cooling materials and applications: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2026, 236: 116977.

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課題組簡介：空天熱輻射（STAR）課題組的主要研究方向包括微納結構熱輻射特性調控機制、太陽能利用和輻射制冷材料開發和應用、仿生智能材料設計與應用以及多光譜兼容隱身結構設計等。取SpaceThermal (and)Radiation的首字母組成課題組簡稱STAR，努力在光熱調控領域發光發熱，奔赴[星辰大海]。歡迎從事相關研究的學者同行們交流合作，共同探索空天熱輻射理論和技術前沿。

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