《GLOBAL CHALLENGES》：Influence of Micro-Scale Surface Texturing on Light Distribution From Luminescent Downshifting Layers for Next-Generation Greenhouses
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温室中的发光下转换（Luminescent Downshifting, LDS）层可调节光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR）光谱以促进植物生长，其中表面织构在改善向下光提取方面发挥着关键作用。厚度为3
温室中的发光下转换（Luminescent Downshifting, LDS）层可调节光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR）光谱以促进植物生长，其中表面织构在改善向下光提取方面发挥着关键作用。厚度为3 mm的LDS层掺入两种不同的染料（Lumogen F Red 305和Eu配位配合物），并系统优化了六种微结构（圆锥、方锥、圆柱、半圆柱、穹顶和棱柱），以最大化向下提取（Downward-Extracted, DE）效率，该效率同时涵盖转换后的红色发光和未转换（未被发光体吸收）的太阳光。蒙特卡罗光线追踪模拟对小面积（25 cm2）和无限面积LDS层及其在10 × 4 × 2 m温室中的集成进行了建模。最高的DE效率（65%）出现在包含底部内凹圆柱且纵横比（Aspect Ratio, AR）为0.9的无限LDS层中。这些结果强调了超越小面积LDS层性能评估的重要性，以确定到达全尺寸温室地面的红光量（包括转换发光和未转换太阳光），研究人员将其定义为红光增强分数（Red Enhancement Fraction, REF）。对于在卡尔斯鲁厄冬季使用Lumogen F Red 305的温室，REF达到最大值（70%），采用顶部内凹穹顶和底部内凹圆柱（AR = 0.2）；而夏季增益较小（22%），春季/秋季为35%。
**论文解读：微织构发光下转换层用于下一代温室的光管理**
**1. 研究背景与问题**
全球人口从1960年的30亿增长至2025年的83亿，预计2050年将达97亿，粮食安全与能源压力日益严峻。传统温室虽能保障作物生产，但需在光、温、CO?和水四要素间实现可持续平衡。下一代温室旨在通过宽波段太阳光谱管理实现净零能耗的作物增产。其中，发光下转换（LDS）层可将植物利用较少的紫外（UV，300–400 nm）和绿光转换为光合有效辐射（PAR，400–700 nm）中的蓝光（400–500 nm）和红光（600–700 nm），从而提升植物光能利用效率（LUE）。然而，平面LDS层中大部分发射光被全内反射（TIR）波导至边缘，仅有约13%的理论逃逸锥能量向下出射，且对称结构中同等份额从正面逃逸，形成向上损失。表面微织构可通过破坏TIR增强向下提取（DE）效率，但已有研究存在明显不足：Shen等人仅关注顶部突起的微穹顶，未系统比较其他几何形状、表面位置（顶部/底部）、取向（内凹/外凸）及纵横比；Xu等人提出的底部内凹微圆锥虽避免顶部磨损，却因逆反射显著降低未转换光子出射（UPO）效率，导致温室地面辐照度下降。此外，先前研究多聚焦于厘米级孤立LDS层性能，未评估全尺寸温室在真实太阳辐照下的表现。因此，亟需建立联系微织构设计、转换光子向下提取、未转换光子光学损耗及全尺度温室红光传输的综合框架。
**2. 研究目标与方法**
研究人员开展本研究旨在：系统比较六种几何微织构（穹顶Do、圆锥Co、方锥Py、圆柱Cyl、半圆柱H-Cyl和棱柱Pri）在相同光学与几何条件下对LDS层DE效率和UPO效率的影响；突破小面积限制，将优化结构集成至10 m × 4 m × 2 m全尺寸温室，量化不同季节和时刻的红光增强分数（REF）、平均辐照度及空间均匀性。主要关键技术方法包括：（1）使用蒙特卡罗光线追踪软件LightTools 2026（Keysight Technologies，美国加州圣罗莎）进行光学仿真，光源采用AM1.5G太阳光谱，小面积LDS层模拟使用1000万条光线，全尺寸温室使用5000万条光线；（2）小面积LDS层尺寸为5 × 5 × 0.3 cm，并通过边缘设置理想镜面近似无限大（∞ × ∞ × 0.3 cm）层；全尺寸温室长10 m、宽4 m、高2 m，屋顶倾角20°，屋顶板尺寸2.50 × 2.13 m，侧墙板尺寸2.0 × 1.1 m；（3）选用两种发光材料：商用有机染料Lumogen F Red 305（LR305，BASF，德国），其PLQY接近100%，吸收绿光并可延伸至蓝光区；专利Eu配位配合物GloGro，PLQY为65%，仅选择性吸收UV并发射约612 nm窄带红光，二者负载量均为375 ppm；（4）光接收器置于LDS层底面下方或温室地面上方1 μm处，用于获取辐照度图、角分布和光谱分布；（5）通过改变特征宽度（5–50 μm）、边缘间距（EED）、纵横比（AR 0–1.8）、取向（内凹/外凸）和位置（顶面/底面）等参数系统优化。此外，研究人员采用SolidWorks 2025（达索系统公司，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）绘制几何模型并导入LightTools进行纹理化，温室模拟地点为德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe），代表性日期为3月21日（春分）、6月21日（夏至）和12月21日（冬至）。
**3. 主要研究结果**
**3.1 小面积织构LDS层模拟（正入射条件下）**
**3.1.1 转换红光子向下出射（DE效率）**
当引入边缘反射镜将小面积层扩展为无限横向层时，底部内凹圆柱（bottom-I Cyl）结构的DE效率对LR305从34%升至65%，对GloGro从33%升至59%；边缘反射镜促进光子回收和路径长度增加，从而增强光子-结构相互作用的频率。在25 cm2面积、10 μm宽度和LR305染料条件下，表面织构使平面层的DE效率（12%）提升两倍以上。最大DE效率排序为：底部外凸穹顶（bottom-P Do）39%（AR=1.0）＞底部外凸圆锥（bottom-P Co）37%（AR=0.9）＞底部外凸方锥（bottom-P Py）36%（AR=0.9）＞顶部内凹/外凸方锥36%（AR=0.45）＞底部内凹圆柱（bottom-I Cyl）34%（AR=0.9）＞顶部内凹棱柱（top-I Pri）31%（AR=0.45）＞底部外凸半圆柱（bottom-P H-Cyl）30%（AR=0.9）。穹顶因具有连续且平滑变化的局部表面法线分布，产生朗伯型角分布，故DE效率最高；方锥因四个倾斜小平面的离散法线多于棱柱的两个面而优于棱柱；半圆柱虽曲率类似穹顶但法线方向数少，效率较低。
**3.1.2 未转换光子向下出射（UPO效率）**
平面LDS层在AR=0时UPO效率为92%，其余8%为菲涅耳损失。顶部织构几乎不降低UPO效率，因为光从空气（低折射率）进入层内（高折射率）不发生TIR，逆反射可忽略。底部织构则因局部法线改变使入射角超过临界角（约42°），发生TIR并导致逆反射，UPO效率显著下降；底部外凸方锥和棱柱在AR使入射角约45°时大部分光线反向返回，底部外凸圆锥在AR=0.9–1时也有逆反射但平面区域仍有透射。底部内凹圆柱因局部法线与平面相似，UPO效率几乎不随AR变化。
**3.1.3 DE效率与UPO效率的拮抗关系**
除底部内凹圆柱外，多数底部织构存在DE随AR增大而升高、UPO随之降低的拮抗关系。穹顶的平衡点位于AR≤0.45附近。圆柱结构因UPO保持恒定而打破这一权衡，成为兼顾DE和UPO的优选构型。
**3.1.4 发光光子的角向强度分布**
对选定的六种最优织构（top-I Do AR=0.45、top-I Py AR=0.45、top-I Co AR=0.45、bottom-I Cyl AR=0.9、top-I Pri AR=0.45、top-I H-Cyl AR=0.3）在577 nm单色激发下进行角分布分析。穹顶产生近各向同性分布；方锥和棱柱产生离散瓣状图案；圆锥和圆柱因旋转对称产生连续但各向异性的分布；半圆柱呈混合轮廓。不同织构的角分布差异源于局部表面法线的维度和连续性，且与未转换光子的角分布（平行入射光）显著不同，说明提取轮廓强烈依赖入射光性质与织构几何。
**3.1.5 DE效率对织构宽度、间距和层尺寸的依赖**
边缘间距为零时DE效率最高，随间距增大呈指数下降。织构宽度在约5 μm以上时对DE无显著影响，因几何相似结构保持相同局部表面坡度。小面积层（5 × 5 × 0.3 cm）边缘加镜后等效无限大层，DE效率显著提升：top-I Do从31%升至51%，top-I Py从36%升至56%，top-I Co从34%升至56%，bottom-I Cyl从34%升至65%，top-I Pri从31%升至41%，top-I H-Cyl从30%升至41%。层厚从3 mm减薄至100 μm以下可提高DE效率，但会缩短吸收光程，需协同优化发光体浓度。
**3.2 全尺寸LDS温室模拟**
**3.2.1 太阳正顶时的温室**
在理想正顶太阳（太阳高度角90°）下，平面透明温室92%的未转换光直接到达地面（平均辐照度920 W m?2）。织构会使Iave降低，因此选用AR=0.2以获得最小散射损失。此时顶部内凹穹顶（top-I Do）和底部内凹圆柱（bottom-I Cyl）展现最强的直透分量。LR305平面LDS温室REF为5%，GloGro为2%；top-I Do（AR=0.2）使LR305的REF升至9%，bottom-I Cyl（AR=0.2）升至10%，而GloGro仅分别提升至2%和3%，差异源于LR305吸收的绿光光子通量远高于GloGro吸收的UV光子通量。
**3.2.2 卡尔斯鲁厄真实太阳辐照下的温室**
**3.2.2.1 温室地面的平均未转换辐照度**
在真实太阳高度角下（夏至64.4°、春/秋分41.4°、冬至17.5°），斜入射增加菲涅耳损失（墙约22%，屋顶约10%），且部分光线经侧墙逃逸，使夏至正午最大平均辐照度从正顶条件下的920 W m?2降至约800 W m?2。织构进一步小幅降低该值：top-I Do（AR=0.2）为756 W m?2，bottom-I Cyl（AR=0.2）为776 W m?2，与LDS层模拟的散射损耗趋势一致。
**3.2.2.2 地面水平REF**
在真实太阳轨迹下，平面LDS温室的REF高于正顶理想条件，因低太阳高度时自然红光光子数（N
red, std）减少。REF在日出日落时高于正午，冬季昼夜（9:00–17:00）最高，春分次之，夏至最低。引入top-I Do和bottom-I Cyl（AR=0.2）后，LR305温室在正午时REF显著增加：3月21日从11%增至36%（Do）和34%（Cyl）；6月21日从8%增至23%（Do）和24%（Cyl）；12月21日从20%增至72%（Do和Cyl均为72%）。GloGro的top-I Do温室REF始终低于LR305平面温室。在6月21日100%漫射辐照（104 W m?2）模拟中，REF为24%，仅比直接辐照下的23%高1个百分点，表明REF对直射/漫射变化不敏感，但漫射条件下未转换光子的角分布从强直透变为近似朗伯型。
**3.2.2.3 地面转换光与未转换光的角向和空间分布**
角向分布（图10）显示织构几何改变发射光的传播角度，影响冠层光穿透和空间重分布。在正午，平面和织构温室的南北与东西角分布对称；而在日出日落，织构温室南北轮廓的对称轴随太阳高度角降低而旋转（夏至约0°，春分约15°，冬至约30°），这增强了空间均匀性。空间分布均匀性（U）从早到晚增加，bottom-I Cyl（AR=0.2）比top-I Do（AR=0.2）提升更显著。温室宽度（4 m）小于长度（10 m），导致高角度提取光从南北侧墙逃逸，增加宽度可减少损失并提高REF。
**4. 讨论与结论总结**
研究揭示了一个核心设计规则：平滑、连续弯曲、无顶点的微结构（如穹顶和圆柱）能够在DE效率和UPO效率间取得更优平衡。在温室内，优化的织构几何（top-I Do和bottom-I Cyl，AR=0.2）在所有季节和时刻均提高REF，且在低太阳高度时增益最大——夏季REF提升三倍，春季提升超过三倍，冬季提升超过五倍。微织构还通过旋转角分布和增强空间均匀性改善了冠层光照条件。然而，LDS层尺度的最优性能并不能直接转化为温室尺度的效率，因为长距离传播、侧墙逃逸和菲涅耳损失等温室级效应占据主导。因此，必须将LDS层设计与温室结构（如宽度、屋顶倾角）进行集成优化。未来研究应进一步探索截锥/截棱锥以分离顶点效应，尝试顶底双侧织构，开发具有UV和绿光双吸收带、蓝光透过的多功能发光体，并推进柔性微织构LDS薄膜的卷对卷制造及全漫射条件分析。研究结论为：微织构LDS温室在低自然红光条件下（如冬季）能显著增加到达地面的红光光子数，提升光合有效辐射的可用性，为可持续温室光管理提供了设计指南。
