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论文信息：
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).
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsomega.4c01792
如今，建筑物的供暖、制冷、通风和人工照明占总能耗的30%以上。窗户是建筑物能耗的一个关键因素，因为大量的光和热会通过窗户传递。节能窗户的一种常见方法是在标准玻璃上使用红外滤光片，阻挡红外波段的阳光，同时允许可见光波段的光线通过，从而降低室内温度。多种节能窗户引起了广泛关注，例如透明热反射器、电致变色窗户和热致变色窗户。例如，2016年，Dalapati等人提出了一种玻璃上的TiO2/Cu/TiO2多层薄膜，可用作热反射器，在可见光波长下的最高透射率为90%，在1200nm波长下的红外反射率为85%。2018年，Piccolo等人描述了旨在评估电致变色(EC)窗性能的实验测试和计算机仿真建模的结果，证明了所研究的EC装置在降低热负荷方面是有效的。2019年，Salamati等人提出了一种新型热致变色涂层，可在夏季反射不需要的近红外辐射，从而节省更多能源。尽管有这些创新，但节能窗的传统红外滤光片仍会因为穿过大部分可见光而导致室内温度升高，这表明需要在节能窗设计中采用新策略来进一步提高冷却效率。
辐射冷却窗口已被设计成在大气透明窗口发射红外辐射、反射近红外光、允许可见光通过，但在可见光的透过率、近红外光的反射率和中红外光谱的发射率方面仍有待改进。本文提出了一种保色辐射冷却窗口，由多层膜作为透明近红外反射器、聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为热发射器。该设计通过遗传算法对薄膜材料种类、层数和薄膜厚度进行优化。对比了不同层数的多层膜的性能，选择了7层多层膜（Al2O3/Ag/Al2O3/Ag/Al2O3/Ag/Al2O3）作为透明近红外反射器。然后，对其光谱特性进行了深入分析。接着，作者在透明近红外反射器上方放置了100μm厚的PDMS作为热发射体，将透明近红外反射器与PDMS组合，利用遗传算法，实现了保色的辐射冷却窗口，其可见光平均透过率平坦且宽谱带（86%），近红外平均反射率高（86%），大气窗口平均热发射率高（95%），非辐射热系数分别为0、6、12W/m2/K时，温度分别下降22.3、21.2、15.8K。![]()
图1.(a)理想透明辐射窗的反射和透射光谱和(b)发射光谱。(c)透明NIR反射器的示意图。(d)保色辐射冷却窗的示意图。
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图2.步骤(1)：所提出的透明近红外反射器首先对多层膜进行遗传优化，同时优化其层材料、厚度和层数，以达到所需的多光谱特性。步骤(2)：然后将优化的TNR与热发射器相结合，以增强大气窗口内的发射。
图3.(a)3、5和7层多层膜的Ttar与优化T̅VIS之间的关系。(b)3、5和7层多层膜的Ttar与优化R̅NIR之间的关系。![]()
图4.(a)各代TNR9的T̅VIS和R̅NIR。(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结构的太阳透射率和反射率光谱。![]()
图5.(a)不同TNR的透射光谱，其T̅VIS达到不同的Ttar。(b)不同TNR的反射光谱，其T̅VIS达到不同的Ttar。
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图6.具有不同Ttar的TNR的(a)T̅VIS和(b)R̅NIR光谱随入射角的变化。(c)具有不同Ttar的TNR的透射颜色色度图。![]()
图7.CPRCW1和CPRCW2的透射光谱（a）和反射光谱（b）。（c）CPRCW1和CPRCW2的透射色色度图。
总之，本文设计了一种保色辐射冷却窗，它可以保持颜色并降低温度。通过基于遗传算法和传输矩阵法的系统设计方法，作者将太阳能管理（波长相关的透射/反射）和辐射冷却结合在介电层和金属层的平面多层堆栈中。与大多数以前的设计不同，此文设计的透明冷却窗具有宽带和平坦的透射率，可在可见光波段保持颜色，并具有高NIR反射率以阻挡大部分NIR光成分。这是通过利用GA优化CPRCW来实现的，以将平均可见光透射率固定在10%和90%且方差最小，相对平均NIR反射率为91%和86%。虽然CPRCW1和CPRCW2的Ttar分别为10%和90%，但由于方差，它们的实际T̅VIS分别为9.5%和86%。此外，通过在TNR上放置均匀的100微米厚的PDMS层，演示了宽带热发射，该层在宽广的中红外范围内显示出高热发射率(95%)。通过将TNR与100微米厚的PDMS相结合，GA实现了保色辐射冷却窗口。本文提出的结构可实现10%至90%之间的不同透过率，可用于低能见度（如头盔、遮阳板或护目镜）和高能见度（如建筑物和汽车窗户）的辐射冷却。
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