[论文解读] Radiative cooling by tailoring surfaces with microstructures

Armande Hervé, Jérémie Drevillon+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出一种混合辐射冷却器，结合一维沟槽光栅与多层介质/金属堆栈，实现高太阳反射率（80–90%）和强中红外发射（峰值位于9–10 μm），且在大气透明窗口（8–13 μm）内具有优异性能。该结构在典型白天条件下可实现峰值辐射冷却功率密度达80 W·m⁻²，简化版本亦可实现约75 W·m⁻²，通过光栅与多层结构的协同发射增强效应，展现出显著的冷却潜力。

ABSTRACT

We propose in this article a method to generate radiative coolers which are reflective in the solar spectrum and emissive in the transparency window of the atmosphere (8-13 $μ$m). We choose an approach combining thermal control capacity of gratings and multi-layers. We use optimized BN, SiC and SiO 2 gratings, which have emissivity peak in the transparency window. We place under these gratings a metal/dielectric multi-layer structure to obtain a near perfect reflectivity in the solar spectrum and to enhance the emissivity in the transparency window. The optimized structures produce a good radiative cooling power density up to 80 W.m --2 .

研究动机与目标

• 设计一种在太阳光谱范围（0.3–2.5 μm）内具有高反射率、在大气透明窗口（8–13 μm）内具有高发射率的辐射冷却器。
• 通过优化几何参数的六方氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）或二氧化硅（SiO₂）亚波长光栅，增强8–13 μm窗口内的发射率。
• 在光栅下方集成多层结构（Ag/介质），以实现近完美的太阳反射率并进一步提升中红外发射率。
• 通过简化设计提升实验可行性，同时保持高性能，采用TiO₂/SiO₂法布里-珀罗腔替代复杂多层结构。
• 探索二维光栅在提升实际部署中角度与偏振独立性方面的潜力。

提出的方法

• 设计结合一维沟槽光栅（SiC、BN或SiO₂）与多层堆栈（Ag/SiO₂或Ag/TiO₂/SiO₂），以调控光谱发射率。
• 优化光栅参数（周期d、高度h、占空比F），使其在9–10 μm附近产生强发射峰，与大气窗口匹配。
• 多层堆栈通过干涉效应在太阳光谱范围（0.3–2.5 μm）内实现>95%的近完美反射率。
• 基于实际太阳与大气条件，利用法向入射光谱发射率与辐射传热模型，计算理论发射率与冷却功率。
• 分析光栅在激发多层结构中的表面声子极化激元（SPP）或作为顶层以增强多层结构发射率中的作用。
• 提出一种简化结构，采用TiO₂/SiO₂腔替代完整多层结构，降低制造复杂度，同时保持高性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合光栅-多层结构能否同时实现高太阳反射率与在大气窗口内强而选择性的中红外发射？
• RQ2 光栅与多层堆栈之间的耦合如何使发射率超越各自独立贡献的总和？
• RQ3 简化结构（如采用法布里-珀罗腔）在降低制造复杂度的同时，能在多大程度上保持高辐射冷却性能？
• RQ4 光栅在增强底层多层结构发射率中的作用机制是什么——是通过SPP激发，还是作为高发射率顶层？
• RQ5 偏振与入射角依赖性如何影响冷却性能？二维光栅能否提升角度与偏振独立性？

主要发现

• 在法国普瓦捷的典型白天条件下，优化后的混合结构实现了80 W·m⁻²的峰值辐射冷却功率密度。
• 采用TiO₂/SiO₂腔的简化结构在19点时实现约75 W·m⁻²的冷却功率，表明在降低复杂度的同时仍具备强劲性能。
• 由于光栅发射峰与多层结构谐振腔响应的协同效应，8–13 μm大气窗口内的发射率显著增强。
• 光栅在约9 μm处贡献发射峰，并增强8–11 μm范围内的发射率，而多层结构则在10和12 μm处提升发射率。
• 该结构在太阳光谱范围内保持高太阳反射率（>80%），有效抑制太阳加热。
• 理论分析表明，光栅可能通过SPP激发或作为高发射率顶层增强发射率，但确切机制仍需进一步实验验证。