基于In3SbTe2 的智能可調(diào)彩色熱輻射器，實現(xiàn)全季節(jié)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(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗急劇增加，能源高效利用與可持續(xù)發(fā)展已成為全球性重大挑戰(zhàn)。其中，制冷、通風(fēng)和供暖相關(guān)的能源消耗在總能耗中占比顯著，而日常生活、交通及工業(yè)生產(chǎn)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(xù)增長，研發(fā)更高效的熱管理技術(shù)成為實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。

輻射熱管理技術(shù)憑借通過合理設(shè)計材料光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控?zé)彷椛涞暮诵脑恚哂袩o需設(shè)備驅(qū)動、環(huán)境友好且應(yīng)用前景廣泛的優(yōu)勢，成為熱管理領(lǐng)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(fā)射的材料，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能以實現(xiàn)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(fā)射率，將輻射熱能傳遞至太空以實現(xiàn)降溫。若能將這兩種分別適用于晝夜的技術(shù)相結(jié)合，可大幅提升能源利用效率。

研究內(nèi)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(nèi)具有低發(fā)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(nèi)，吸收率接近1， 實現(xiàn)了太陽能的完美吸收。中紅外波段在3–14μm范圍內(nèi)的發(fā)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(fā)射率，如圖1(b)綠色曲線所示，大氣透明窗頻段的發(fā)射率為3–5μm和8–14μm，接近1，以實現(xiàn)其熱量通過輻射傳遞到空間，實現(xiàn)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(fā)射率示意圖。

如圖2(a)所示，結(jié)構(gòu)由ZnS、Si、IST、Ge和Cr組成，在aIST態(tài)太陽波段內(nèi)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(shù)據(jù)。0.3–2.5μm區(qū)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(fā)射率分別為0.23和0.13。在外部溫度激發(fā)下，IST可以實現(xiàn)非晶相與晶相之間的非揮發(fā)性轉(zhuǎn)變，如圖2(c)所示。圖2(d)顯示了aIST和cIST在3–14μm波段的發(fā)射率分布。3–5μm的平均發(fā)射率為0.5,8–14μm的平均發(fā)射率為0.92。這使得熱發(fā)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(jù)詳細(xì)比較，建議的熱發(fā)射器可能在白天有效收集太陽熱量，夜間實現(xiàn)輻射冷卻。

圖2（a）設(shè)計了可調(diào)諧的熱發(fā)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(jié)構(gòu)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(tài)熱發(fā)射體在太陽輻射帶內(nèi)的吸收分布。（c） IST非晶態(tài)和晶體態(tài)的示意圖。（d）中紅外波段中，aIST狀態(tài)和cIST狀態(tài)的發(fā)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(fā)射共振峰（0.7μm、3.88μm、11.6μm），并計算了相應(yīng)的電場分布。模擬了結(jié)構(gòu)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(tài)和cIST態(tài)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(xiàn)了FP共振腔。入射光在ZnS和Ge層之間來回反射，使結(jié)構(gòu)的吸收能力提升至0.7μm。入射光在3.88μm和11.6μm的半晶IST態(tài)下通過颲層，同時被鉻層阻擋，如下圖3(b)和(c)所示。整個結(jié)構(gòu)cIST態(tài)的電場強度分布高于aIST態(tài)。如圖3(d)和(e)所示，入射波的蒙皮深度在cIST態(tài)下較低，分別為3.88μm和11.6μm，低于aIST態(tài)。這是因為aIST和cIST態(tài)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(xiàn)出低發(fā)射率;而非晶能狀態(tài)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(tài)結(jié)構(gòu)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(tài)。(a)顯示aIST狀態(tài)為0.7 μm。(b)和（e）分別是3.88 μm和11.6 μm的aIST態(tài)。(d)和(e)分別是3.88μm和11.6μm的CIST態(tài)。

在實際情況中，理想熱發(fā)射體的發(fā)射率必須在TE和TM模的入射角（0至60°之間）高度穩(wěn)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(nèi)的發(fā)射率進行了獨立分析。在aIST太陽波段范圍內(nèi)，TE和TM入射角下的發(fā)射率通常表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，如下圖4(a)和(d)所示。它在400–800nm的可見光范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定性，表明結(jié)構(gòu)著色是可能的。在TE模入射角下，aIST狀態(tài)結(jié)構(gòu)在0–50°范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，如下圖4(b)所示。在TM模的入射角下，發(fā)射率在0–40°范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好穩(wěn)定性，并在40°-60°范圍內(nèi)逐漸增加，如下圖4(e)所示。這一現(xiàn)象由弱法布里-珀羅腔體引起。然而，發(fā)射率的整體分布保持穩(wěn)定。TE和TM模入射角下的cIST態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)射率在中紅外波段同樣保持良好穩(wěn)定性，如下圖4(c)和(f)所示。因此，可以說該結(jié)構(gòu)在太陽波長范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)良好且穩(wěn)定的吸收性能。同時，中紅外波段的發(fā)射率在TE和TM極化態(tài)下也穩(wěn)定良好，表明該結(jié)構(gòu)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(tài)入射角下的發(fā)射率分布。(b)和(e)顯示了aIST在紅外波段中TE和TM模態(tài)入射角下的發(fā)射率分布。(c)和（f）是cIST在紅外波段中TE和TM模態(tài)入射角下的發(fā)射率分布。

如圖5(a)和(b)所示，對于白天輻射冷卻函數(shù)，太陽能光譜的吸收率必須接近零，大氣透明窗的發(fā)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(fā)射，從而實現(xiàn)全天候輻射冷卻功能。為了在夜間實現(xiàn)有效的熱絕緣，大氣窗口處熱發(fā)射體的發(fā)射率必須接近0。太陽反射器的設(shè)計參數(shù)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(xiàn)出無損性質(zhì)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(fā)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(jié)構(gòu)使得在cIST狀態(tài)下實現(xiàn)全天候輻射冷卻，在aIST狀態(tài)下實現(xiàn)夜間熱量保持。實現(xiàn)了夜間的熱絕緣功能。圖5(g)和(h)分別展示了吸收率和發(fā)射率。紫色線代表太陽光譜中熱發(fā)射體在cIST態(tài)下的發(fā)射率。0.3–2.5μm區(qū)間的平均吸附率為0.3,3–5微米區(qū)間的平均加權(quán)發(fā)射率為0.55,8–14μm區(qū)間的平均加權(quán)發(fā)射率為0.89。黃色線代表aIST態(tài)中紅外（MIR）波段的發(fā)射率;3–14μm波段的平均加權(quán)發(fā)射率為0.89，而3–5μm波段為0.55。在aIST態(tài)下，中紅外頻譜的平均加權(quán)發(fā)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(fā)射器可實現(xiàn)全天候輻射冷卻和夜間保溫。因此，最初的熱發(fā)射器配合太陽能反射器，預(yù)計將實現(xiàn)四季智能熱管理，這對于全年節(jié)能至關(guān)重要。

圖5 （a）理想白天輻射冷卻原理和夜間熱絕緣函數(shù)的示意圖。（b）理想白天輻射冷卻和夜間熱絕緣函數(shù)吸收率/發(fā)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(fā)射率。（f）組合選擇性熱發(fā)射器工作原理示意圖。（g）太陽波段中組合選擇性熱發(fā)射體的吸收率。（h） 中紅外波段內(nèi)組合選擇性熱發(fā)射體的發(fā)射率。

隨后，研究人員分析了太陽能反射器組合后的熱發(fā)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(huán)境溫度設(shè)定為308 K，熱發(fā)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(huán)境溫度設(shè)定為278 K，熱發(fā)射體的凈輻射熱損失被抑制為17.45W?m-2。因此，熱發(fā)射器加裝太陽能反射器后，可以實現(xiàn)白天的輻射冷卻和夜間的熱絕緣功能，而這兩種熱發(fā)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(fā)射器預(yù)計將用于全年熱管理。

圖6 （a） 白天不同非輻射熱傳遞系數(shù)聯(lián)合熱發(fā)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(shù)下聯(lián)合熱發(fā)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(fā)射器在兩種典型應(yīng)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(fā)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(fā)射體表面溫度隨環(huán)境溫度在24小時內(nèi)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(nèi)陸城市夏季晝夜溫差顯著，這對戶外設(shè)備作和人體熱舒適度構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。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(fā)射器在白天實現(xiàn)輻射冷卻，夜間實現(xiàn)熱絕緣。為應(yīng)對這一環(huán)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(lián)合熱發(fā)射器表面溫度和環(huán)境溫度在24小時內(nèi)的波動，從而表明有效的熱絕緣性能。白天，cIST狀態(tài)執(zhí)行輻射冷卻功能，導(dǎo)致溫度明顯低于環(huán)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(jù)模擬分析，我們提出的熱發(fā)射器能夠熟練地適應(yīng)這兩個指定的環(huán)境。

圖7 （a）在日溫差較小且濕度較高的地區(qū)，發(fā)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(qū)，住宅和個人所需的理想熱發(fā)射和吸收示意圖。（c）廣州市熱發(fā)射體表面溫度與環(huán)境溫度分布。（d）烏魯木齊市聯(lián)合熱發(fā)射體表面溫度和環(huán)境溫度分布。

結(jié)論與展望

綜上所述，研究人員引入了可調(diào)諧的熱發(fā)射器，促進白天的太陽熱吸收和夜間的輻射冷卻。發(fā)射率調(diào)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(nèi)的平均發(fā)射率分別為0.23和0.13，而太陽光譜中非晶態(tài)的平均吸收率為0.8。在過渡到晶體態(tài)時，大氣透明窗內(nèi)的平均發(fā)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(diào)節(jié)鋅頂層厚度實現(xiàn)鮮艷的色彩顯示。它還在廣泛的入射偏振角度譜下具備優(yōu)異的色彩表現(xiàn)穩(wěn)定性。我們最終模擬并分析了不同環(huán)境條件下熱發(fā)射體的溫度變化，顯示所有熱發(fā)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(fā)射器設(shè)計預(yù)計將有效實現(xiàn)智能全季節(jié)熱管理。