基于In3SbTe2 的智能可调彩色热辐射器，实现全季节热管理

论文信息：XiangSong, Xueying Xia, Yong Chen，Smart tunable colorful thermal emitter based on In3SbTe2 for all-season thermal management，Solar Energy Materials and Solar Cells 294，113939（2026）.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113939

研究背景

随着全球科技与经济的快速发展，能源消耗急剧增加，能源高效利用与可持续发展已成为全球性重大挑战。其中，制冷、通风和供暖相关的能源消耗在总能耗中占比显著，而日常生活、交通及工业生产中的能源使用与热排放问题日益突出，使得热管理需求持续增长，研发更高效的热管理技术成为实现节能减排的关键。

辐射热管理技术凭借通过合理设计材料光学特性与结构参数来调控热辐射的核心原理，具有无需设备驱动、环境友好且应用前景广泛的优势，成为热管理领域的研究热点，其两大核心研究方向为太阳能集热与辐射制冷：太阳能集热利用在太阳辐射波段（0.3-2.5μm）高吸收、中红外波段低发射的材料，将太阳能转化为热能以实现保温与加热；辐射制冷则通过在大气透明窗口（3-5μm、8-14μm）具备高发射率，将辐射热能传递至太空以实现降温。若能将这两种分别适用于昼夜的技术相结合，可大幅提升能源利用效率。

研究内容

白天吸收太阳、夜间辐射冷却的原理见下图1(a)，两者通过不同波段的热辐射传递。理想的太阳能吸收器需要在白天具有高吸收性能，在大气透明窗能带内具有低发射率，比吸收率如图1(b)红色曲线所示，且太阳辐射带在0.3-2.5μm范围内，吸收率接近1， 实现了太阳能的完美吸收。中红外波段在3–14μm范围内的发射率接近0，避免了其辐射能量向外界的耗散。理想的夜间辐射冷却器需要在大气透明窗带具有较高的发射率，如图1(b)绿色曲线所示，大气透明窗频段的发射率为3–5μm和8–14μm，接近1，以实现其热量通过辐射传递到空间，实现夜间辐射冷却的效果。

图1 白天使用基本的太阳能加热原理，晚上使用辐射冷却。（a） 白天太阳加热和夜间辐射冷却的热辐射传递概念图示意图。（b）理想白天太阳加热和理想夜间辐射冷却的吸收率/发射率示意图。

如图2(a)所示，结构由ZnS、Si、IST、Ge和Cr组成，在aIST态太阳波段内的吸收分布如图2(b)所示，黄色背景代表正常的AM1.5太阳吸收光谱数据。0.3–2.5μm区域中有效吸收太阳能的平均吸收率为0.8。为防止辐射能量向外部消散，大气透明窗范围（3–5μm和8–14μm）的平均发射率分别为0.23和0.13。在外部温度激发下，IST可以实现非晶相与晶相之间的非挥发性转变，如图2(c)所示。图2(d)显示了aIST和cIST在3–14μm波段的发射率分布。3–5μm的平均发射率为0.5,8–14μm的平均发射率为0.92。这使得热发射体能够在夜间将热能以辐射能量的形式传递到太空，从而展示了冷却功能。根据详细比较，建议的热发射器可能在白天有效收集太阳热量，夜间实现辐射冷却。

图2（a）设计了可调谐的热发射器，用于白天收集太阳热和夜间辐射冷却功能，由从上到下由ZnS、Si、IST、Ge和Cr组成的五层薄膜结构组成。按顺序表示 h1-h5， h1= 70 nm，h2= 710 nm，h3= 15 nm，h4= 720 nm，h5= 100 nm。（b）aIST态热发射体在太阳辐射带内的吸收分布。（c） IST非晶态和晶体态的示意图。（d）中红外波段中，aIST状态和cIST状态的发射率分布。

如图3所示，我们选择了太阳波段和中红外波段的发射共振峰（0.7μm、3.88μm、11.6μm），并计算了相应的电场分布。模拟了结构在太阳辐射波段0.7μm和中红外波段3.88μm和11.6μm的电场分布，以更好地理解aIST态和cIST态的物理吸收机制。在aIST中，如下图3(a)所示，0.7μm的电场分布在ZnS、Si和IST层中显著增强，且出现了FP共振腔。入射光在ZnS和Ge层之间来回反射，使结构的吸收能力提升至0.7μm。入射光在3.88μm和11.6μm的半晶IST态下通过颲层，同时被铬层阻挡，如下图3(b)和(c)所示。整个结构cIST态的电场强度分布高于aIST态。如图3(d)和(e)所示，入射波的蒙皮深度在cIST态下较低，分别为3.88μm和11.6μm，低于aIST态。这是因为aIST和cIST态的折射率虚部不同。虽然Ge、Zn和Si也具有红外透明性，使入射电磁波能够穿过介电层，最终被底层的铬反射，表现出低发射率;而非晶能状态由于吸收能力较弱，其折射率的虚部接近零，具有较高的透明度。另一方面，由于其高折射率虚部，cIST态结构具有较高的吸收能力。

图3 在太阳波段和中红外波段的电场分布，用于器件的两个状态。(a)显示aIST状态为0.7 μm。(b)和（e）分别是3.88 μm和11.6 μm的aIST态。(d)和(e)分别是3.88μm和11.6μm的CIST态。

在实际情况中，理想热发射体的发射率必须在TE和TM模的入射角（0至60°之间）高度稳定。因此，我们对中红外和非IST太阳波段在0–60°入射角范围内的发射率进行了独立分析。在aIST太阳波段范围内，TE和TM入射角下的发射率通常表现出良好的稳定性，如下图4(a)和(d)所示。它在400–800nm的可见光范围内表现出稳定性，表明结构着色是可能的。在TE模入射角下，aIST状态结构在0–50°范围内表现出良好的稳定性，如下图4(b)所示。在TM模的入射角下，发射率在0–40°范围内表现出良好稳定性，并在40°-60°范围内逐渐增加，如下图4(e)所示。这一现象由弱法布里-珀罗腔体引起。然而，发射率的整体分布保持稳定。TE和TM模入射角下的cIST态结构发射率在中红外波段同样保持良好稳定性，如下图4(c)和(f)所示。因此，可以说该结构在太阳波长范围内能够实现良好且稳定的吸收性能。同时，中红外波段的发射率在TE和TM极化态下也稳定良好，表明该结构对夜间辐射冷却性能和白天吸收太阳能的影响较小，尤其在TE和TM模的各种入射角下。

图4(a)和(d) 显示了aIST在太阳波段下TE和TM模态入射角下的发射率分布。(b)和(e)显示了aIST在红外波段中TE和TM模态入射角下的发射率分布。(c)和（f）是cIST在红外波段中TE和TM模态入射角下的发射率分布。

如图5(a)和(b)所示，对于白天辐射冷却函数，太阳能光谱的吸收率必须接近零，大气透明窗的发射率接近1。这种配置能够充分反射太阳辐射能量，同时促进辐射能量向大气透明窗发射，从而实现全天候辐射冷却功能。为了在夜间实现有效的热绝缘，大气窗口处热发射体的发射率必须接近0。太阳反射器的设计参数来源于参考文献，由两片交替的ZnSe和BaF2薄膜组成如图5(c)所示，表现出无损性质和耐高温能力。详滤波器在太阳能谱中的吸收率如下图5(d)所示，表明太阳能吸收较弱。下图5(e)展示了中红外光谱的透射率。在热发射器上方安装太阳能反射器后，太阳能可被太阳辐射反射，促进热量传递至大气透明窗，如图5(f)所示。该结构使得在cIST状态下实现全天候辐射冷却，在aIST状态下实现夜间热量保持。实现了夜间的热绝缘功能。图5(g)和(h)分别展示了吸收率和发射率。紫色线代表太阳光谱中热发射体在cIST态下的发射率。0.3–2.5μm区间的平均吸附率为0.3,3–5微米区间的平均加权发射率为0.55,8–14μm区间的平均加权发射率为0.89。黄色线代表aIST态中红外（MIR）波段的发射率;3–14μm波段的平均加权发射率为0.89，而3–5μm波段为0.55。在aIST态下，中红外频谱的平均加权发射率为3–5μm为0.19,8–14μm为0.22。本文证明，借助太阳能反射器，热发射器可实现全天候辐射冷却和夜间保温。因此，最初的热发射器配合太阳能反射器，预计将实现四季智能热管理，这对于全年节能至关重要。

图5 （a）理想白天辐射冷却原理和夜间热绝缘函数的示意图。（b）理想白天辐射冷却和夜间热绝缘函数吸收率/发射率分布的示意图。（c） 太阳反射器工作原理图。（d） 太阳波段中反射体的吸收率。（e）太阳反射器在中红外波段的发射率。（f）组合选择性热发射器工作原理示意图。（g）太阳波段中组合选择性热发射体的吸收率。（h） 中红外波段内组合选择性热发射体的发射率。

随后，研究人员分析了太阳能反射器组合后的热发射器热性能，如下图6(a)和(b)所示。在白天辐射冷却性能分析中，环境温度设定为308 K，热发射器的辐射冷却通量为66.8 W∙m-2。在夜间隔热性能分析中，环境温度设定为278 K，热发射体的净辐射热损失被抑制为17.45W∙m-2。因此，热发射器加装太阳能反射器后，可以实现白天的辐射冷却和夜间的热绝缘功能，而这两种热发射器则能识别白天的辐射冷却和夜间的热绝缘功能。这两种类型的热发射器预计将用于全年热管理。

图6 （a） 白天不同非辐射热传递系数联合热发射器的净辐射冷却功率分布。（b） 夜间不同非辐射热传递系数下联合热发射器的净辐射热损失。

最终，研究人员模拟并验证了两个热发射器在两种典型应用场景下的表面温度波动。如图7(a)所示，利用昼夜温差和太阳能吸收装置的发电特定组件必须在白天高效捕获太阳能，夜间释放寄生热量，以维持最佳性能。如图7(c)所示，并模拟了热发射体表面温度随环境温度在24小时内的波动，显示其有效的太阳能吸收能力。其次，如图7(b)所示，内陆城市夏季昼夜温差显著，这对户外设备作和人体热舒适度构成了巨大挑战。因此，白天必须采用辐射冷却，夜间则需要热绝缘以减轻温度波动。集成的热发射器在白天实现辐射冷却，夜间实现热绝缘。为应对这一环境问题，我们选择了乌鲁木齐市y作为测试地点，如图7(d)所示。我们模拟了联合热发射器表面温度和环境温度在24小时内的波动，从而表明有效的热绝缘性能。白天，cIST状态执行辐射冷却功能，导致温度明显低于环境温度，最大温度下降为6.2℃，表明有效的冷却能力。因此，根据模拟分析，我们提出的热发射器能够熟练地适应这两个指定的环境。

图7 （a）在日温差较小且湿度较高的地区，发电和太阳能吸收装置的理想热辐射和吸收示意图。（b）在日温差较大地区，住宅和个人所需的理想热发射和吸收示意图。（c）广州市热发射体表面温度与环境温度分布。（d）乌鲁木齐市联合热发射体表面温度和环境温度分布。

结论与展望

综上所述，研究人员引入了可调谐的热发射器，促进白天的太阳热吸收和夜间的辐射冷却。发射率调制过程可以在白天高效收集太阳热量，同时防止热辐射到大气透明窗。大气透明窗内的平均发射率分别为0.23和0.13，而太阳光谱中非晶态的平均吸收率为0.8。在过渡到晶体态时，大气透明窗内的平均发射率分别为0.5和0.92。这有助于高效的夜间辐射冷却，并通过调节锌顶层厚度实现鲜艳的色彩显示。它还在广泛的入射偏振角度谱下具备优异的色彩表现稳定性。我们最终模拟并分析了不同环境条件下热发射体的温度变化，显示所有热发射体均具备有效的太阳能吸收、辐射冷却和热绝缘性能。基于综合分析，热发射器设计预计将有效实现智能全季节热管理。