综述：辐射冷却：在整个光谱范围内的透明性

《Materials Today》：Radiative cooling: transparency across the spectrum

　　**摘要**
随着全球能源消耗和制冷需求的持续增长，无需外部能量输入的被动热管理策略对于可持续发展变得越来越重要。与此同时，光电技术和架构的近期进步推动了需要光学透明性的各种技术的发展。这激发了对透明辐射冷却（TRC）的研究，该技术通过向外部空间发射中红外热辐射来结合光传输和被动散热。TRC的有效性取决于在真实户外条件下保持光学性能的同时通过大气透明窗口产生热辐射。在这篇综述中，我们系统地总结了TRC的研究，追溯了其从早期概念到材料、纳米光子结构和设备架构的最新进展。我们将现有方法分为太阳能透明型、光谱工程型、红外透明型、垂直导向型和动态可调型，并比较了它们的工作原理、性能限制和实际约束。随后，我们讨论了包括建筑、车辆、光伏、温室和能源系统在内的代表性应用领域，强调了在不影响光学功能的情况下减少热负荷的机会。最后，我们概述了新兴的机会和研究重点，包括未充分探索的应用和下一代可持续技术的集成要求。

**引言**
辐射冷却（RC）是一种通过向大气透明窗口发射红外辐射到外部空间（约3 K）来散发热量的被动热管理方法[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。由于它不需要外部能量输入，RC代表了一种环境友好的方法，可以缓解与全球变暖和城市热积累相关的日益增加的制冷需求。尽管这一概念可以追溯到20世纪60-80年代[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，但2014年白天RC的突破性实验演示引发了材料设计、光谱工程和大规模实施策略的快速进展[16]。早期的努力主要集中在屋顶和建筑外壳的不透明或高反射表面上[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。然而，许多可以从RC中受益的技术表面不能牺牲光学透明度。例如，光伏（PV）模块必须高效吸收阳光以发电，但温度升高会降低电力转换效率和长期稳定性[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。同样，建筑物和车辆中的窗户是热量进入的途径，而局部加热会降低显示器、传感器和其他需要透明性的光电平台的可靠性[32]、[33]。在这些多样的应用中，一个共同挑战是：单一材料必须同时满足特定应用的光学要求，并能够通过大气透明窗口实现高效的辐射热传输。要实现这种平衡，需要精确控制不同光谱区域的传输、反射和发射，而这通常很难在同一材料系统中同时优化[34]、[35]。这些挑战推动了透明辐射冷却（TRC）技术的发展[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。

TRC的性质也要求从与传统的不透明RC系统不同的角度评估冷却性能。在不透明RC中，性能通常通过冷却表面本身的温度降低来评估[39]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]。相比之下，TRC的有效性通常通过封闭的、下层或受保护空间的热响应来评估[57]、[58]（图1a）。这种区别反映了TRC材料作为辐射发射体和调节光传输和热交换的光学透明界面的双重角色。因此，TRC的热效益通常在系统层面实现，而不仅仅是在冷却表面。

TRC材料的光学要求根据感兴趣的光谱领域而有所不同。一些应用要求对人眼透明，而其他应用则需要对红外（IR）辐射透明[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]。这种多样性强调了更明确定义TRC的必要性。因此，我们提出了一个包含两种互补透明性的框架。在传统意义上，透明度指的是在可见光或太阳光谱范围内的高透射率，以实现视觉、日光照明或太阳能收集，同时保持RC功能。然而，更广泛地说，透明度可以功能性地定义为传递与设备预期光学目的相关的辐射的能力。根据这一更广泛的定义，即使在太阳光谱范围内不透明，但在IR光谱范围内高透射率的材料也可以被视为TRC材料。

在这个框架下，TRC可以大致分为太阳能透明辐射冷却（S-TRC）和红外透明辐射冷却（IR-TRC）系统。在S-TRC系统中，材料必须在可见光或太阳光谱范围内保持高透射率，同时在中红外（MIR）大气窗口内表现出强发射率（图1b）。这些要求本质上是相互竞争的，因为增强MIR发射的策略通常会降低光学透明度，而增加的太阳传输则会引入额外的辐射热增益。相比之下，IR-TRC系统需要在IR光谱范围内保持高透射率，同时通过反射或其他光谱管理策略抑制不必要的太阳吸收。在这两种情况下，光学透明性和RC性能通过材料的光谱响应内在地联系在一起，需要在多个波长区域进行仔细设计。

在过去十年中，已经开发出了一系列策略来满足这些要求。我们在科学挑战的背景下考察了这些方法，这些挑战推动了它们的发展并继续塑造它们的演变。因此，我们的分类框架捕捉了该领域从解决特定光学和热限制的早期演示到越来越复杂、面向应用的解决方案的进展。反映这一轨迹，我们首先将TRC技术分为静态和动态系统，然后根据几何配置和光谱设计策略进一步组织每个类别（图1c）。由于静态TRC代表了该领域最成熟和最多研究的分支，我们首先研究了光学和热性能由设计固定的系统。静态TRC进一步分为水平和垂直配置。对于水平TRC，我们确定了三个主要子类别：(1) S-TRC，包括透明TRC（cTRC）和漫射TRC（dTRC）；(2) 光谱工程TRC，包括可见光透明、近红外（NIR）反射和功能工程冷却系统；(3) IR-TRC系统。包含IR-TRC反映了越来越多的研究，这些研究关注的材料在IR领域的功能透明性与此处采用的更广泛的透明度定义一致。然后我们讨论了垂直TRC系统，这是近年来受到越来越多关注的领域，强调了垂直表面RC的独特挑战和设计考虑[67]、[68]、[69]、[70]。在此静态框架的基础上，我们最终研究了动态TRC系统，在这些系统中，光学性能根据外部刺激主动调节。特别关注的是在保持可见光或太阳光谱范围内透射率的同时动态调节IR发射率的系统，从而实现无需牺牲光学透明性的自适应热管理。重要的是，虽然这些类别作为组织指南，但潜在的设计原则和材料策略并不是互斥的，通常可以应用于不同的配置。除了材料和设备架构外，我们还研究了包括建筑、车辆、太阳能电池、温室和能源系统在内的代表性应用领域，并确定了TRC作为下一代热管理关键技术的新兴机会（图1d）。这篇综述不是孤立地列举个别进展，而是试图阐明该领域的科学和技术轨迹，确定超越个别方法的设计原则，并强调未来研究和开发的有希望的方向。

**TRC材料的理论分析**
TRC材料的冷却性能可以理论上进行量化，尽管适当的指标取决于预期的应用。对于S-TRC系统，性能通常以净冷却功率来评估。由于水平和垂直配置与其辐射环境的相互作用不同，因此必须分别考虑它们的冷却功率公式。相比之下，IR-TRC系统主要用于个人热管理，其中材料...

**S-TRC (1): 透明TRC**
本节概述了在整个太阳光谱范围内实现光学透明的TRC技术。根据它们的光学特性，S-TRC技术可以大致分为两类：cTRC和dTRC。前者优先考虑光学清晰度，在这里详细讨论；后者则在“S-TRC (2): dTRC”部分单独讨论。TRC的早期发展是由太阳能吸收系统面临的实际挑战所驱动的（例如...）

**S-TRC (2): dTRC**
用于透明应用的TRC技术主要致力于保持高光学清晰度，因此大多数研究优先考虑抑制光学散射同时增强热发射。这种方法在光学清晰度为主要要求的应用中已被证明是有效的，例如建筑窗户和车辆挡风玻璃。然而，漫射玻璃材料通过散射入射光来减少眩光、保护隐私...

**光谱工程TRC (1): 可见光透明和近红外反射RC**
尽管在S-TRC方面取得了进展，但仅保持太阳透射率不足以提供有效的冷却性能。为了在保持RC结构固有透明度的同时减少内部热负荷，必须考虑整个太阳光谱。太阳光谱主要由紫外线、可见光和近红外辐射组成，而波长超过约2.5 μm的部分仅占总太阳辐照度的约0.9%。因此，大部分太阳引起的热量增益...

**光谱工程TRC (2): 功能工程TRC**
“光谱工程TRC (1): 可见光透明和近红外反射RC”部分讨论的光谱工程策略将可见光透明性作为主要光学目标，将太阳光谱分为要传输的可见光带和要拒绝的非可见光带。TRC研究的后续方向从根本上重新定义了这一目标。与其最大化整个可见光谱的传输，不如选择性地调整传输窗口...

**IR-TRC**
前面章节讨论的大多数TRC研究都集中在实现可见光谱范围内的高光学透射率上，包括S-TRC和光谱工程TRC。然而，也积极探索了在IR区域透明的RC技术，特别是与人体体温调节相关的应用。这种兴趣源于传统发射纺织品的内在局限性。在这种系统中，人体产生的热辐射必须...

**垂直结构的TRC**
前文讨论的TRC策略主要是为水平朝向的表面开发和优化的，其中无障碍的天空视野有助于有效地将热辐射传送到寒冷的外部空间。然而，大多数透明建筑组件（如窗户和立面）是垂直朝向的，因此在根本不同的热边界条件下运行。除了从地面接收热辐射外，垂直透明表面还...

**具有动态可调光学特性的TRC**
迄今为止讨论的TRC策略主要依赖于静态光学特性，并涵盖了水平和垂直设备配置。然而，它们的固定光学特性存在一个固有的限制：向外部空间的连续辐射发射可能导致在寒冷冬季条件下的过冷，从而影响全年热舒适性和能源效率[134]、[135]、[136]、[137]。为了克服这一限制，TRC已逐步从静态...

**TRC的各种应用：从工业部署到新兴前沿**
基于前几节讨论的材料系统、光子架构和设备级操作原理，本节从应用级性能的角度考察了TRC技术。TRC的技术成熟度在不同应用领域差异很大。在某些行业中，TRC技术已经发展到商业生产和大规模现场部署，而在其他行业中，它们仍处于原型阶段或仅进行了演示...

**结论和未来展望**
在过去十年中，TRC已从最初主要旨在保持太阳透明性的光子结构发展成为能够进行光谱、角度和动态控制热辐射的越来越复杂的系统。在这篇综述中，我们考察了这些进展，涵盖了材料、光子架构和设备级实现，并调查了包括节能窗户、光伏、温室和能量收集系统在内的多样化应用。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。这项工作得到了由韩国科学技术部资助的蔚山国立科技大学（UNIST）InnoCORE计划的支持。参与研究的还有Yeongju Jung和Seung Hwan Ko。