全球能源危机和气候变化继续带来严峻挑战。建筑物消耗了全球最终能源的34%以上，其中HVAC系统占了一半以上[1]。在欧盟，仅空间供暖就占家庭能源使用的63.5%[2]。因此，用可再生能源替代化石燃料的HVAC系统变得至关重要[3]。在可行的策略中，由于建筑物拥有较大的外部表面[4]，太阳能热系统被广泛采用，这些表面能够吸收太阳辐射并将其转化为热能供空气或水基系统使用[5]。同时，辐射天空冷却允许表面通过大气透明窗口（8–13 μm）直接将热量释放到外太空[6]，从而实现被动冷却效果（见图1）。与增强通风[7]、蒸发冷却[8]或地-空气换热器[9]等传统方法不同，这些方法依赖于有限的热汇并且会随时间退化，而天空冷却则利用了理论上无限的外太空冷源。
新兴应用包括被动辐射冷却材料——如冷屋顶[10]、窗户[11]和陶瓷饰面[12]——以及主动的热量排放控制系统[13]。鉴于太阳能加热和辐射冷却的共性机制，将辐射冷却功能集成到太阳能热系统中既合乎逻辑又具有成本效益。这样的双模式SH-RC系统可以满足全年热需求并提高整体能源效率。
大多数早期的SH-RC系统都是从传统的太阳能热收集器改进而来的[14]，但面临两个关键限制：吸收体的长波发射率低以及玻璃覆盖层在大气窗口区域的不透明性[15]。尽管玻璃在中红外波段具有辐射能力，但它会阻挡8–13 μm波段的辐射，导致冷却效果转移到覆盖层上，增加了对流损失，从而降低了辐射冷却性能[16]。为了解决这个问题，一些研究人员移除了玻璃覆盖层并修改了吸收体。例如，Erell和Etzion[17]使用白色平板收集器实现了80 W/m2的冷却能力和370 W/m2的峰值加热能力。Bokor等人[18]报告使用哑光黑色钢材实现了高达66.5 W/m2的冷却效果。使用黑化铝[19]、镀锌钢[20]和未上釉的平板收集器也获得了类似的结果[21]。这些策略提高了长波透射率，但也使表面暴露在对流环境中[22]。
为了平衡辐射冷却和对流屏蔽，Vall等人[23]提出了一种可移动的覆盖层。更实用的解决方案是用透明聚合物薄膜替代玻璃，这些薄膜可以传输长波辐射。已经研究了特氟龙[24]、聚乙烯（PE）[25]和聚丙烯（PP）[26]等材料，其中PE因其低成本和高透射率而受到青睐[27]。然而，覆盖层对冷却效果的影响仍有争议。例如，Wang等人[28]发现添加PE覆盖层后，冷却功率从47 W/m2降低到了36 W/m2。
除了覆盖层之外，表面的光谱选择性对SH-RC性能也起着关键作用。由于太阳能加热和辐射冷却分别在不同的光谱区域受益于高发射率（见图2），非选择性涂层通常不如针对特定波长吸收或发射设计的表面表现好。为了解决这种不匹配问题，研究人员开发了双面表面，其中一侧用于太阳能吸收，另一侧用于中红外辐射，通常通过机械翻转来切换。同时，还展示了使用热致变色[32]、电致变色[33]和相变材料（如VO?[34]）进行动态光谱调节的方法，这些材料可以根据环境触发因素主动调节表面发射率。虽然这些方法具有适应性，但往往涉及复杂的制造过程、控制电路或稳定性问题。
作为回应，一些研究通过在太阳能选择性吸收体上添加低成本聚合物薄膜来开发出光谱选择性的SH-RC表面。这些薄膜对太阳辐射透明，但在大气窗口区域具有辐射能力，从而实现辐射冷却而不严重影响太阳能加热。Matsuta等人[35]首次使用PVDF涂层的黑色铜表面展示了这一效果，实现了610 W/m2的加热能力和51 W/m2的冷却能力。后续研究采用了PET[36]、PDMS[37]和其他聚合物。Hu等人[38]报告称，添加PET薄膜后，冷却功率从23.4 W/m2增加到50.3 W/m2，而加热效率仅降低了9.8%。
用对太阳光谱透明的聚合物薄膜覆盖太阳能吸收表面可以在保持太阳能加热的同时增强辐射冷却效果，为将太阳能收集器改造为双模式SH-RC系统提供了一条低成本途径。然而，对SH-RC表面设计的系统理解仍然有限。具体来说，吸收层、聚合物薄膜和对流屏蔽层的各自作用及其综合光谱效应尚未得到明确区分或量化。此外，缺乏统一的性能指标使得跨研究比较变得复杂，也阻碍了设计标准化。
本研究通过系统性的实验评估来填补这些空白。通过比较不同吸收体-薄膜-覆盖层组合的光谱和热性能，我们确定了最佳性能的设计规则。还建立了输出功率与表面温度之间的线性关系，为评估效率提供了明确的方法。这些结果阐明了结构-功能关系，并为双模式表面的实际设计提供了依据。
