辐射冷却技术通过向宇宙空间发射热辐射来实现被动冷却的目的。为了实现更高的冷却效果，辐射冷却技术通常也需要反射阳光，这对与太阳能电池的兼容性提出了挑战。该研究开发了一种传输型日间辐射冷却系统，该系统由一个左右相连的腔室组成，以促进空气循环提取由辐射冷却产生的冷量，并设计了一种将日间辐射冷却与太阳能电池相结合的串联结构。
在阳光充足的天气条件下，该系统实现了高达40 W/m2的冷却功率密度和103.33 W/m2的光伏功率密度，证实了提高冷却能力同时降低太阳波段的废热吸收率可以进一步提高器件性能，这一结果为加强日间辐射冷却和太阳能发电的结合提供了一种新方法。相关成果以Tandem daytime radiative cooling and solar power generation为题发表在Cell Reports Physical Science期刊。
图1：传统日间辐射冷却装置与由辐射冷却装置和太阳能电池组成的本工作对比（A）传统日间辐射冷却、太阳能电池、日间辐射冷却与太阳能电池协同集成的机理图；（B）日间辐射冷却与太阳能电池协同集成示意图；（C）不同透射率（τ）和吸收率（α）的腔室的制冷功率、光伏功率以及制冷和光伏的总功率；（D）传统辐射冷却装置（左）和辐射冷却和太阳能电池（右）在建筑物屋顶上的应用。
图2：辐射冷却室材料的选择（A）高中红外发射和低太阳吸收的官能团的选择；插图是PDMS（左）和ETFE（右）的结构照片；（B）ETFE和PDMS的傅里叶变换红外光谱分析；（C-E）不同厚度ETFE薄膜的可见光和近红外透射光谱、吸收光谱和中红外发射光谱；（F和G）不同厚度PDMS薄膜的可见光和近红外透射吸收光谱；（H）腔室的可见光和近红外吸收和透射光谱。
图3：设备的光学照片和性能特性（A）设备的光学照片，腔室插入带有银色反光板的开放式亚克力盒中；（B）设备中腔室的俯视图；（C）该器件的横截面示意图；（D）测试地点的地形和天气信息；（E）2024年4月11日的太阳辐照度；（F）三个周期的进风口和出风口的温度数据；（G）三个周期的冷却功率；（H和I）带或不带腔室盖的太阳能电池的电压和电流（H）和光伏功率（I）。
图4：器件的长期连续性能表征（A）2024年5月23日的太阳辐照度；（B）进气口和出风口的温度；（C）进风口和出风口之间的温差；（D）晴天时的冷却功率；（E）带或不带腔室盖的太阳能电池的光伏功率。
图5：流速、吸收率和冷却功率密度之间相关性的理论研究（A和B）相应的进气口和出风口温差，以及腔室的冷却功率密度，分别选择不同的流量和吸收率水平；（C和D）当流速为20、60和100 L/min时，获得所建立模型内的温度分布，腔室的吸收率分别为1%、3%和5%。
总结：本研究开发了一种串联结构，通过在设计中加入高太阳波段透射聚合物，将日间辐射冷却与太阳能电池集成在一起。实验结果表明，该器件实现了高达40 W/m2的冷却功率密度，光伏功率密度高达103.33 W/m2。此外，太阳能电池的功率转换效率为11.42%（相比之下，裸太阳能电池为12.92%）。仿真结果表明，提高气室内的空气流速并降低其在太阳光波段的吸收率可以显著提高性能。当冷却器的吸收率下降到1%时，辐射冷却功率可高达68.74 W/m2。通过降低太阳波段内腔室材料中上下层的吸收率，可以减少太阳热的输入，从而显着提高辐射冷却功率并大大提高底层太阳能电池的效率。鉴于当前对能源的迫切需求，这种串联结构由于其稳定性、效率和成本效益的固有优势，有望在实际建筑节能中得到广泛应用。
论文信息：Jia S, Huang M, Jiang X, Shen C, Chen S, Meng G, et al. Cell Rep. Phys. Sci. 2024; 102343. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102343.
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