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研究背景
辐射冷却窗设计的目的是在大气透明窗中发射红外辐射，反射近红外光，同时允许可见光通过。但在可见光的透过率、近红外光的反射率、中红外光谱的发射率等方面还有待改进。本文提出了一种由多层薄膜作为透明近红外反射器和聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为热发射器组成的保色辐射冷却窗。该设计涉及通过遗传算法优化膜材料的类型、层数和膜的厚度。比较了不同层数的多层膜的性能，我们选择7层多层膜(Al2O3/Ag/Al2O3/Ag/Al2O3/Ag/Al2O3)作为透明近红外反射器。然后，对其光谱特性进行深入分析。随后，我们在透明近红外反射器上方放置了一个100μm厚的PDMS作为热发射器。将透明近红外反射器与PDMS相结合，利用遗传算法实现了一种平坦宽带平均可见的保色辐射冷却窗。
研究内容
本文提出的CPRCW包括VIS、NIR和MIR领域的多光谱操作。如图1a、b所示，理想的CPRCW在可见光波段应满足平坦的透过率曲线，在近红外波段的反射率为1，在大气窗口的发射率为1。TNR的平均NIR反射率非常高，足以阻挡入射的NIR太阳辐射(图1c)。然而，中红外发射度较低(8~13μm)的TNR不能提供足够的冷却性能。其次，我们在TNR上方放置一个100μm厚的PDMS作为热发射器，以提高中红外波段的发射率(见图1d)。
在图2中，遗传算法是一种模拟生物遗传学中观察到的选择、交叉和突变过程的仿生优化方法。如图2步骤(1)所示，利用混合整数GA同时优化层数、材料类型和层厚，探索多层透明NIR反射器的保色功能。如图2步骤(2)所示，为了减少振荡对保色的影响，增强大气窗口内的发射，我们反复利用遗传算法对CPRCW的光谱特性进行优化。
图2。步骤(1):本文提出的透明NIR反射器从多层膜的遗传优化开始，同时优化其层材料、厚度和层数，以追求所需的多光谱特性。步骤(2):然后将优化后的TNR与热发射器结合，以增强大气窗口内的发射。
透明近红外反射器的优化，图3a、b对最大层数为3层、5层和7层的TNR结构进行了分析和比较。图4a、b为T′sVIS、R′sNIR、MF和RMSE(90%)随世代变化的分布图。MF分数和RMSE分数均下降了90%，证明了算法的有效性。图4c−f是TNR结构在第1代、第10代、第30代和第100代的太阳透射率和反射率的变化情况，图4c−f是最佳TNR结构的太阳透射率和反射率的光谱。在优化期间，我们观察到RMSE(90%)从3.6×10−1逐渐降低到4.5×10−4，这意味着可见光波段的透射率曲线趋于平坦，以保持透射光的颜色。因此，遗传算法的可行性得到了证实。
图5为tnr的透过率和反射率光谱。在图5a、b中，我们给出了T′sVIS固定为Ttar时，TNR在0.3~2.5μm全波长范围内的透射率和相关反射率的光谱。表示RMSE(10%)=c×Ttar=0.05%×10%=5×10−5的TNR。在图6a,b中，我们给出了TNR结构的光谱T′sVIS和R′sNIR光谱。这里显示的透光率和反射率是两种偏振法向入射下的平均值。如图6a所示，当θ小于约60°时，两种偏振的平均可见光透过率保持一致。当入射角超过60°时，平均可见光透过率有明显下降。此外，如图6b所示，平均NIR反射率随不同角度变化不明显。通过遗传算法优化获得的TNR在可见太阳光谱内具有明显的平坦透射，我们研究了优化后的TNR如何影响正入射下透射颜色的产生。不同平均可见光透过率的透明NIR反射体结构的透射色色度图如图6c所示。
利用TMM我们计算了超宽带波长范围为0.3至2.5μm，波长步长为1nm的透射率和反射率，如图7a,b所示。如图7a所示，尽管由于薄膜的干扰而产生了某些可识别的振荡，但我们已经利用GA使可见光透过率平坦在CPRCW已经实现的地方可能保持颜色。在图7中，CPRCW1和CPRCW2分别代表T′VIS达到10%和90%的辐射冷却窗，方差较小。我们现在分析通过CPRCW的透射阳光的颜色。计算透射光和正入射太阳光颜色的CIE-1931色度坐标，如图7c所示。
在减少振荡对保色的影响后，我们现在呈现并分析辐射冷却的效果。如图8所示，CPRCW1和CPRCW2在大气窗内的发射几乎相同，因为它们都具有相同厚度的PDMS，这在MIR发射中起着非常关键的作用。如图9所示，CPRCW1和CPRCW2的E′sAW在θ小于60°时保持一致。当入射角超过60°时，CPRCW1和CPRCW2的E′sAW明显下降。与图8相同，图9中CPRCW1和CPRCW2的E′sAW几乎相同，因为它们都具有相同厚度的PDMS。在图9中，TNR1和TNR9的E′sAW在不同入射角下保持较低，这意味着辐射冷却性能较差。因此，所提出的CPRCW在各种角度的大气窗口内显示出强大的高发射率，使其特别有利于辐射冷却窗口的应用。这一特性增强了其在可持续建筑设计中保持热效率和环境适应性方面的效用。
结论与展望
总之，我们设计了一个可以保留颜色的辐射冷却窗口，可以保留颜色和降低温度。通过我们基于遗传算法和转移矩阵方法的系统设计方法，我们将太阳能管理（波长依赖传输/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。与之前的大多数设计不同，我们设计的透明冷却窗具有宽带和平面透光率，用于在可见波段中保留颜色，以及高NIR反射率，以阻挡大部分NIR光元件。这是通过利用GA来优化CPRCW来实现的，以最小的方差将平均可见透射率固定在10和90%，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%，但由于差异，它们的实际T̅VIS是9.5和86%。此外，宽带热发射是使用放置在TNR上的均匀100微米厚的PDMS层进行演示的，该层在广泛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实现了色彩保温辐射冷却窗口。与厚度相同的玻璃窗相比，CPRCW1引起的温度下降为99.5、60.9和41.7K，hc =0W/m2/K，hc =6W/m2/K，hc =12W/m2/K，CPRCW2引起的温度下降分别为2.3、21.2K，hc =0W/m2/K，hc =6W/m2/K和hc =12W/m2/K。本作品中提出的结构实现了从10到90%的不同透光率，可用于低可见性（如头盔、遮阳板或护目镜）和高可见性（如建筑物和汽车的窗户）辐射冷却。
