基于In3SbTe2 的智能可調彩色熱輻射器，實現全季節熱管理

論文信息：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）.

論文鏈接：

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

研究背景

隨著全球科技與經濟的快速發展，能源消耗急劇增加，能源高效利用與可持續發展已成為全球性重大挑戰。其中，制冷、通風和供暖相關的能源消耗在總能耗中占比顯著，而日常生活、交通及工業生產中的能源使用與熱排放問題日益突出，使得熱管理需求持續增長，研發更高效的熱管理技術成為實現節能減排的關鍵。

輻射熱管理技術憑借通過合理設計材料光學特性與結構參數來調控熱輻射的核心原理，具有無需設備驅動、環境友好且應用前景廣泛的優勢，成為熱管理領域的研究熱點，其兩大核心研究方向為太陽能集熱與輻射制冷：太陽能集熱利用在太陽輻射波段（0.3-2.5μm）高吸收、中紅外波段低發射的材料，將太陽能轉化為熱能以實現保溫與加熱；輻射制冷則通過在大氣透明窗口（3-5μm、8-14μm）具備高發射率，將輻射熱能傳遞至太空以實現降溫。若能將這兩種分別適用于晝夜的技術相結合，可大幅提升能源利用效率。

研究內容

白天吸收太陽、夜間輻射冷卻的原理見下圖1(a)，兩者通過不同波段的熱輻射傳遞。理想的太陽能吸收器需要在白天具有高吸收性能，在大氣透明窗能帶內具有低發射率，比吸收率如圖1(b)紅色曲線所示，且太陽輻射帶在0.3-2.5μm范圍內，吸收率接近1， 實現了太陽能的完美吸收。中紅外波段在3–14μm范圍內的發射率接近0，避免了其輻射能量向外界的耗散。理想的夜間輻射冷卻器需要在大氣透明窗帶具有較高的發射率，如圖1(b)綠色曲線所示，大氣透明窗頻段的發射率為3–5μm和8–14μm，接近1，以實現其熱量通過輻射傳遞到空間，實現夜間輻射冷卻的效果。

圖1 白天使用基本的太陽能加熱原理，晚上使用輻射冷卻。（a） 白天太陽加熱和夜間輻射冷卻的熱輻射傳遞概念圖示意圖。（b）理想白天太陽加熱和理想夜間輻射冷卻的吸收率/發射率示意圖。

如圖2(a)所示，結構由ZnS、Si、IST、Ge和Cr組成，在aIST態太陽波段內的吸收分布如圖2(b)所示，黃色背景代表正常的AM1.5太陽吸收光譜數據。0.3–2.5μm區域中有效吸收太陽能的平均吸收率為0.8。為防止輻射能量向外部消散，大氣透明窗范圍（3–5μm和8–14μm）的平均發射率分別為0.23和0.13。在外部溫度激發下，IST可以實現非晶相與晶相之間的非揮發性轉變，如圖2(c)所示。圖2(d)顯示了aIST和cIST在3–14μm波段的發射率分布。3–5μm的平均發射率為0.5,8–14μm的平均發射率為0.92。這使得熱發射體能夠在夜間將熱能以輻射能量的形式傳遞到太空，從而展示了冷卻功能。根據詳細比較，建議的熱發射器可能在白天有效收集太陽熱量，夜間實現輻射冷卻。

圖2（a）設計了可調諧的熱發射器，用于白天收集太陽熱和夜間輻射冷卻功能，由從上到下由ZnS、Si、IST、Ge和Cr組成的五層薄膜結構組成。按順序表示 h1-h5， h1= 70 nm，h2= 710 nm，h3= 15 nm，h4= 720 nm，h5= 100 nm。（b）aIST態熱發射體在太陽輻射帶內的吸收分布。（c） IST非晶態和晶體態的示意圖。（d）中紅外波段中，aIST狀態和cIST狀態的發射率分布。

如圖3所示，我們選擇了太陽波段和中紅外波段的發射共振峰（0.7μm、3.88μm、11.6μm），并計算了相應的電場分布。模擬了結構在太陽輻射波段0.7μm和中紅外波段3.88μm和11.6μm的電場分布，以更好地理解aIST態和cIST態的物理吸收機制。在aIST中，如下圖3(a)所示，0.7μm的電場分布在ZnS、Si和IST層中顯著增強，且出現了FP共振腔。入射光在ZnS和Ge層之間來回反射，使結構的吸收能力提升至0.7μm。入射光在3.88μm和11.6μm的半晶IST態下通過颲層，同時被鉻層阻擋，如下圖3(b)和(c)所示。整個結構cIST態的電場強度分布高于aIST態。如圖3(d)和(e)所示，入射波的蒙皮深度在cIST態下較低，分別為3.88μm和11.6μm，低于aIST態。這是因為aIST和cIST態的折射率虛部不同。雖然Ge、Zn和Si也具有紅外透明性，使入射電磁波能夠穿過介電層，最終被底層的鉻反射，表現出低發射率;而非晶能狀態由于吸收能力較弱，其折射率的虛部接近零，具有較高的透明度。另一方面，由于其高折射率虛部，cIST態結構具有較高的吸收能力。

圖3 在太陽波段和中紅外波段的電場分布，用于器件的兩個狀態。(a)顯示aIST狀態為0.7 μm。(b)和（e）分別是3.88 μm和11.6 μm的aIST態。(d)和(e)分別是3.88μm和11.6μm的CIST態。

在實際情況中，理想熱發射體的發射率必須在TE和TM模的入射角（0至60°之間）高度穩定。因此，我們對中紅外和非IST太陽波段在0–60°入射角范圍內的發射率進行了獨立分析。在aIST太陽波段范圍內，TE和TM入射角下的發射率通常表現出良好的穩定性，如下圖4(a)和(d)所示。它在400–800nm的可見光范圍內表現出穩定性，表明結構著色是可能的。在TE模入射角下，aIST狀態結構在0–50°范圍內表現出良好的穩定性，如下圖4(b)所示。在TM模的入射角下，發射率在0–40°范圍內表現出良好穩定性，并在40°-60°范圍內逐漸增加，如下圖4(e)所示。這一現象由弱法布里-珀羅腔體引起。然而，發射率的整體分布保持穩定。TE和TM模入射角下的cIST態結構發射率在中紅外波段同樣保持良好穩定性，如下圖4(c)和(f)所示。因此，可以說該結構在太陽波長范圍內能夠實現良好且穩定的吸收性能。同時，中紅外波段的發射率在TE和TM極化態下也穩定良好，表明該結構對夜間輻射冷卻性能和白天吸收太陽能的影響較小，尤其在TE和TM模的各種入射角下。

圖4(a)和(d) 顯示了aIST在太陽波段下TE和TM模態入射角下的發射率分布。(b)和(e)顯示了aIST在紅外波段中TE和TM模態入射角下的發射率分布。(c)和（f）是cIST在紅外波段中TE和TM模態入射角下的發射率分布。

如圖5(a)和(b)所示，對于白天輻射冷卻函數，太陽能光譜的吸收率必須接近零，大氣透明窗的發射率接近1。這種配置能夠充分反射太陽輻射能量，同時促進輻射能量向大氣透明窗發射，從而實現全天候輻射冷卻功能。為了在夜間實現有效的熱絕緣，大氣窗口處熱發射體的發射率必須接近0。太陽反射器的設計參數來源于參考文獻，由兩片交替的ZnSe和BaF2薄膜組成如圖5(c)所示，表現出無損性質和耐高溫能力。詳濾波器在太陽能譜中的吸收率如下圖5(d)所示，表明太陽能吸收較弱。下圖5(e)展示了中紅外光譜的透射率。在熱發射器上方安裝太陽能反射器后，太陽能可被太陽輻射反射，促進熱量傳遞至大氣透明窗，如圖5(f)所示。該結構使得在cIST狀態下實現全天候輻射冷卻，在aIST狀態下實現夜間熱量保持。實現了夜間的熱絕緣功能。圖5(g)和(h)分別展示了吸收率和發射率。紫色線代表太陽光譜中熱發射體在cIST態下的發射率。0.3–2.5μm區間的平均吸附率為0.3,3–5微米區間的平均加權發射率為0.55,8–14μm區間的平均加權發射率為0.89。黃色線代表aIST態中紅外（MIR）波段的發射率;3–14μm波段的平均加權發射率為0.89，而3–5μm波段為0.55。在aIST態下，中紅外頻譜的平均加權發射率為3–5μm為0.19,8–14μm為0.22。本文證明，借助太陽能反射器，熱發射器可實現全天候輻射冷卻和夜間保溫。因此，最初的熱發射器配合太陽能反射器，預計將實現四季智能熱管理，這對于全年節能至關重要。

圖5 （a）理想白天輻射冷卻原理和夜間熱絕緣函數的示意圖。（b）理想白天輻射冷卻和夜間熱絕緣函數吸收率/發射率分布的示意圖。（c） 太陽反射器工作原理圖。（d） 太陽波段中反射體的吸收率。（e）太陽反射器在中紅外波段的發射率。（f）組合選擇性熱發射器工作原理示意圖。（g）太陽波段中組合選擇性熱發射體的吸收率。（h） 中紅外波段內組合選擇性熱發射體的發射率。

隨后，研究人員分析了太陽能反射器組合后的熱發射器熱性能，如下圖6(a)和(b)所示。在白天輻射冷卻性能分析中，環境溫度設定為308 K，熱發射器的輻射冷卻通量為66.8 W?m-2。在夜間隔熱性能分析中，環境溫度設定為278 K，熱發射體的凈輻射熱損失被抑制為17.45W?m-2。因此，熱發射器加裝太陽能反射器后，可以實現白天的輻射冷卻和夜間的熱絕緣功能，而這兩種熱發射器則能識別白天的輻射冷卻和夜間的熱絕緣功能。這兩種類型的熱發射器預計將用于全年熱管理。

圖6 （a） 白天不同非輻射熱傳遞系數聯合熱發射器的凈輻射冷卻功率分布。（b） 夜間不同非輻射熱傳遞系數下聯合熱發射器的凈輻射熱損失。

最終，研究人員模擬并驗證了兩個熱發射器在兩種典型應用場景下的表面溫度波動。如圖7(a)所示，利用晝夜溫差和太陽能吸收裝置的發電特定組件必須在白天高效捕獲太陽能，夜間釋放寄生熱量，以維持最佳性能。如圖7(c)所示，并模擬了熱發射體表面溫度隨環境溫度在24小時內的波動，顯示其有效的太陽能吸收能力。其次，如圖7(b)所示，內陸城市夏季晝夜溫差顯著，這對戶外設備作和人體熱舒適度構成了巨大挑戰。因此，白天必須采用輻射冷卻，夜間則需要熱絕緣以減輕溫度波動。集成的熱發射器在白天實現輻射冷卻，夜間實現熱絕緣。為應對這一環境問題，我們選擇了烏魯木齊市y作為測試地點，如圖7(d)所示。我們模擬了聯合熱發射器表面溫度和環境溫度在24小時內的波動，從而表明有效的熱絕緣性能。白天，cIST狀態執行輻射冷卻功能，導致溫度明顯低于環境溫度，最大溫度下降為6.2℃，表明有效的冷卻能力。因此，根據模擬分析，我們提出的熱發射器能夠熟練地適應這兩個指定的環境。

圖7 （a）在日溫差較小且濕度較高的地區，發電和太陽能吸收裝置的理想熱輻射和吸收示意圖。（b）在日溫差較大地區，住宅和個人所需的理想熱發射和吸收示意圖。（c）廣州市熱發射體表面溫度與環境溫度分布。（d）烏魯木齊市聯合熱發射體表面溫度和環境溫度分布。

結論與展望

綜上所述，研究人員引入了可調諧的熱發射器，促進白天的太陽熱吸收和夜間的輻射冷卻。發射率調制過程可以在白天高效收集太陽熱量，同時防止熱輻射到大氣透明窗。大氣透明窗內的平均發射率分別為0.23和0.13，而太陽光譜中非晶態的平均吸收率為0.8。在過渡到晶體態時，大氣透明窗內的平均發射率分別為0.5和0.92。這有助于高效的夜間輻射冷卻，并通過調節鋅頂層厚度實現鮮艷的色彩顯示。它還在廣泛的入射偏振角度譜下具備優異的色彩表現穩定性。我們最終模擬并分析了不同環境條件下熱發射體的溫度變化，顯示所有熱發射體均具備有效的太陽能吸收、輻射冷卻和熱絕緣性能。基于綜合分析，熱發射器設計預計將有效實現智能全季節熱管理。