四川
当前，建筑能源消耗约占全球总能耗的30 %至40 %，因此，推动能源转型与减少碳排放已成为亟待解决的重要课题。辐射冷却与太阳能加热技术利用太阳（5762 K）作为热源及深空（3 K）作为冷源，具备高效节能与环境友好性。太阳吸收率α与红外发射率ε是决定薄膜热调控性能的关键参数。然而，现有研究主要聚焦于单一参数的调节，尚未实现对太阳能吸收与红外辐射的协同调控。鉴于此，本论文提出了一种全季节智能薄膜，该薄膜由In₃SbTe₂（IST）、CaF₂和ZnS多层结构组成，并通过IST的相变实现辐射冷却与太阳能加热的可逆切换。在太阳加热模式下，其太阳吸收率与红外发射率分别为0.829与0.055，而在辐射冷却模式下分别为0.361与0.835。此外，该智能薄膜可通过调控IST的结晶比例，实现多级热辐射调节，同时针对入射角变化对其辐射特性的影响进行了系统分析。通过计算净热通量的可调节范围，对其在地面应用中的协同调节能力进行了定量评估。该研究提出的薄膜结构具有广阔的应用前景，可为全季节智能热管理技术的发展提供新的思路。相关工作以 In3SbTe2-based all-season smart film with synergistic modulation of solar and thermal radiation为题发表在Applied Physics Letters期刊。该研究展示了一种基于In₃SbTe₂（IST）的全季节智能薄膜，其由多层结构组成，包括IST、CaF₂和ZnS，并沉积在Al基底上。（图1）。该薄膜通过IST的相变，在晶态时表现出辐射冷却特性，即太阳吸收率降低至0.361，而红外发射率提高至0.835；在非晶态时则表现出太阳加热特性，太阳吸收率升高至0.829，红外发射率降低至0.055。（图2）。这种调控能力的关键机制包括法布里-珀罗 (FP) 共振和抗反射效应（图3），而不同波长下的归一化电场分布（|E/E₀|）则更具体的描述了FP共振和抗反射效应的作用机理（图4）。仿真结果表明，该薄膜在不同温度条件下能够有效调节净热通量，当环境温度为280 K时，薄膜温度在250 K时可实现800 W/m²的太阳加热功率，而在330 K时则能提供600 W/m²的辐射冷却通量（图5），表明其在建筑节能与热管理方面具有显著的应用潜力。
图1.全季节智能薄膜：(a) 智能薄膜结构。(b)-(d) IST, ZnS 和 CaF2 的复折射率。
图2.（a）全季节智能薄膜的光谱法向吸收率。紫色和绿色阴影是归一化的太阳光谱辐射功率和大气窗口透射率。（B）全季节智能薄膜的总法向吸收率和发射率随不同百分比IST晶体的变化。（c）和（d）具有a-IST和c-IST的全季节智能膜的各层的光谱法向吸收率。（d）的图例与（c）的图例相同。
图3.具有(a)-(c) a-IST与(d)-(f) c-IST的智能薄膜在可见光、近红外和中远红外光谱中的共振机制。下划线的机制属于法布里-珀罗（FP）共振和法布里-珀罗（AR）共振。TR意味着膜结构是透明的。
图4.全季节智能薄膜在a-IST (a) λ=0.5μm, (c) λ=1μm和(e) λ=12μm和c-IST (b) λ=0.5μm, (d) λ=1μm和(f) λ=12μm下的归一化电场|E/E0|. E0表示入射电场，入射方向定义为垂直于膜层的方向。
图5.全季节智能薄膜在环境温度Tamb为280 K时，薄膜温度T对热通量Qnet的影响。净热通量Qnet、总发射热通量Qcooler、从环境吸收的热通量Qamb、对流吸收的热通量Qparasitic以及吸收的太阳热通量Qsun。内部热源Qheat被设置为零。
小结：综上所述，本论文介绍了一种全季节智能薄膜，这种薄膜由IST、CaF2和ZnS层构成，基底为Al。通过相变材料IST的相变，可以切换辐射冷却模式和太阳加热模式。太阳吸收率和红外发射率在太阳加热模式下分别为0.829, 0.055; 在辐射冷却模式下分别为0.361, 0.835。其基本机制涉及法布里–珀罗共振和抗反射作用。该智能薄膜展示了在广泛入射角范围内光谱定向吸收和发射的持续调节。此外，智能薄膜还可以通过调整晶态IST的百分比来实现多级调节。该智能薄膜展现了优异的调节性能，能够在250 K下为a-IST实现800 W/m²的太阳加热通量，在330 K下为c-IST实现600 W/m²的辐射冷却通量。所提出的结构有助于全季节智能薄膜的开发和实际应用。
论文信息：B Xie, L Liu, B Lin. In3SbTe2-based all-season smart film with synergistic modulation of solar and thermal radiation. Applied Physics Letters, 2025, 126: 111701.
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