用于高效辐射制冷的高折射率金字塔薄膜

论文信息：

Yuting Fu,Le Chen,Yuao Guo,Yuqing Shi,Yanjun Liu,Yuqiang Zeng,Yuanjing Lin,and Dan Luo.Pyramid Textured Photonic Films with High-Refractive Index Fillers for Efficient Radiative Cooling, Advanced Science, 2024

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202404900

研究背景

随着全球变暖愈演愈烈，对制冷的需求日渐提升。而主动冷却系统需求大量能源，因越来越多研究者将目光转向依靠被动辐射的低温冷却技术。

辐射制冷是一种很有前途的被动冷却技术，通过在0.3-2.5μm波长范围内反射太阳辐射的热量，在8-13um波长范围内通过大气窗将内部热能耗散到较冷的外层空间。通过合理的光子学特性工程，同时实现高太阳反射率和中红外发射率，将特定空间的温度降低到低于环境温度，这被称为亚环境冷却。

为了实现辐射冷却装置的高效散热，需要具有高反射率、发射率和热导率的光学薄膜,与之匹配的金字塔纹理光学薄膜(PTPF)应运而生。

研究内容

薄膜的制备与性质

光学薄膜是聚二甲基硅氧烷（PDMS）和h-BNNs的混合溶液通过热固化方法制备的(图1)。

图1:PTPF和PPF的制备工艺

该光学薄膜基于微金字塔结构和高折射率h-BNNs填料的表面光学特性的协同优化，实现了光子选择性和散热的同时增强。PTPF相较于平面光学薄膜(PPF)，薄膜呈现白色并表现出更强的的疏水性。而PTPF具有的微金字塔表面结构和h-BNNs填料有助于太阳光后向散射。同时h-BNNs填料能够通过聚合物基质网络进行热传导，也能满足薄膜的柔韧性需求。

薄膜的优化设计

对薄膜冷却性能的优化以研究填料尺寸和浓度对反射率的影响为主。据此对不同填料情况下薄膜的光学性能进行测试，并最终在图2中绘制实验图像。

图2:薄膜太阳反射光谱、中红外吸收光谱受b)h-BNNs的尺寸和d)h-BNNs的浓度影响；

PPFs的辐射冷却能力受c)h-BNNs的大小和e)h-BNNs的浓度的的影响

如图2b、2c可见，在太阳光谱下尺寸相近(≈1μm)的h-BNNs由于其强的Mie散射而具有较高的反射率，而小尺寸的填充物(如100nm)不能有效地散射波长大于1μm的太阳光。因此将最佳填料尺寸确定在1μm。

当采用粒径为1μm的h-BNNs的制备填充浓度为10%~ 60%的光学薄膜并观察到随着填料浓度的增加，太阳光谱中更强的散射和反射导致反射率增加(图2d)。在中红外波段(MIR)范围内，长波可被PDMS吸收，因此随着填料浓度的增加，薄膜对太阳光有着更高的吸收率/发射率，因此辐射冷却能力越强(图2e)。

图3:微锥阵列表面结构对光学性能及辐射制冷性能的影响.

a)PPF和PTPF的太阳反射光谱和中红外吸收光谱.c,d)PPF和PTPF的时间温度数据

PTPF薄膜上添加的微金字塔结构也起到了提高辐射制冷性能的作用。 图3a进行了PPF和PTPF反射光谱的比较。在太阳光谱中，宽8μm、高5.7μm的金字塔尺寸与太阳光波长相当，金字塔结构增强了Mie散射和内反射，有助于全反射的增加。同时PDMS可以有效地吸收长波长光，导致在该区域中吸收/发射的增加。通过对填料粒 径、 浓度和表面结构的优化，PTPF的太阳光反射率和中红外吸收率可达到98.5%和97.2%。

为了评估实际应用中PTPF的冷却性能，在室外辐射冷却测量系统下测量了环境温度和薄膜温度。图3c显示了在该系统下附着PPF和PTPF的温度随时间的演变。图3· d显示了温度下降程度的对比。与PPF相比，PTPF在中午时的冷却效率提高了4 °C，在夜间时的冷却效率提高了5 °C。

PTPF用于有效冷却的实验

为验证PTPF的有效性，分别进行太阳辐射和内部发热存在与否的亚环境冷却实验。

在没有内部热量产生的情况下，热能输入主要来自太阳辐射。测量覆盖有PTPF和没有PTPF的透明丙烯酸迷你房屋模型内部温度变化。在暴露于Isolar=549Wm-2的自然太阳辐射250s下，PTPF的内部温度比裸板低13.87 °C。

实际应用场景中还存在房屋内部热源，因此为了验证PTPF的散热能力，采用了一个边长十毫米的立方体不锈钢盒进行演示(图4)。

图4:内部发热条件下PTPF的冷却性能测试

该盒中心有一个由12 V电池供电的恒定热源。在无太阳辐射的室内条件下，与裸箱相比，PTPF的温降范围为3-4 °C。之后，在太阳辐射为Isolar≈500 Wm-2，相对湿度为29%的条件下进行了室外实验，检测得到略微增加的4-5 °C温降。这表明通过结合高导热性和最佳光学性能，有效提高了PTPF的辐射冷却效率。

以上结果表明，无论太阳辐射、内部发热量如何变化，PTPF在低温制冷方面都有着优秀的性能。

结论与展望

高折射率金字塔纹理光学薄膜与近年来的辐射冷却薄膜相比，实现了更突出的98.5%的太阳能反射率和97.2%的中红外发射率。在内部热能产生的情况下，PTPF在500 Wm-2的太阳辐照度下表现出高达5 °C的亚环境冷却性能。该薄膜通过h-BNN填料和金字塔表面纹理的协同优化实现了更高的热导率，为实现高效的亚环境辐射制冷提供了一种助力。

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