辐射冷却材料研究进展

任首龙，陆庭中，唐波，高颖，戴远哲，吉利，赵胜悟

（1 常州大学石油工程学院，江苏 常州 213000；2 悦海智联信息技术服务(常州)有限公司,江苏 常州 213000）

随着世界经济规模的快速增长以及全球人口的迅速增加，能源的高消耗状态持续导致着我国温室气体的大量排放，并引发全球变暖。然而目前通常使用的基于空调的主动冷却降温方式会消耗大量电力及能源，加剧全球变暖趋势，从而引起严重的环境与社会问题。被动辐射冷却是一种环保的冷却方式，并符合国家节能低碳的政策，具有较好的应用前景。因此，具有良好辐射冷却能力的辐射冷却材料成为当前研究热点之一。

太阳辐射与地球表面发出辐射的相互作用关系如图1所示，太阳辐射能量集中于可见光与近红外波段（0.3～2.5μm），其峰值位于可见光波段内0.5μm 处。地球表面接收到太阳辐射后，温度高于绝对零度的物体就会向外发射热辐射，能量集中于2.5～50μm 波长范围内，且大部分能量被大气所吸收；而位于8～13μm波段范围内的能量能够不经过大气吸收直接进入宇宙空间，宇宙空间作为理想黑体能够吸收所有来自地球的热辐射。利用这一特性，辐射冷却技术通过提高材料自身8～13μm波段的红外发射率，将吸收的能量辐射到宇宙空间中，进而大幅度降低地球表面温度。综上，无需能源消耗即可进行冷却降温的辐射冷却材料具有极大的研究意义。

图1 太阳辐射与地球表面热辐射相互关系示意[2]

本文主要总结了国内外制备各类辐射冷却材料的方法，阐述了提升各类辐射冷却材料性能的设计以及其在实际生活中的应用，综述了近年来辐射冷却材料领域的发展，分析了现阶段辐射冷却材料存在的问题，并对该领域的未来发展进行了展望。

1 夜间辐射冷却材料

自20世纪50年代Head首次系统性地报道了选择性红外辐射冷却技术后，研究人员已经提出多种用于夜间辐射冷却的材料。由于陶瓷材料在红外波段具有较高红外发射率，所以起初陶瓷材料成为了主要研究对象。Eriksson 等指出氧化铝的辐射冷却能力与其厚度关系呈正相关，若需要达到0.7 以上的红外发射率，那么必须将涂层厚度控制在0.3μm 以上，而常规涂料完全能够达到这一水平，因此氧化铝并未在辐射冷却领域得以广泛应用。与此同时，Harrison 等仅将白色TiO涂料涂覆于建筑物外层便使室内温度降幅超过15℃，取得较好效果。此外Berdahl利用蒸镀法向金属基板上沉积一层MgO，研究表明其在8～13μm大气窗口波段内具有良好的红外发射率，能够将测试环境温度降低5℃。

随着研究的深入，氮氧化硅材料由于其正好位于大气窗口内的光谱吸收带，慢慢走进人们的视野，也成为研究热点之一。Eriksson 等通过磁控溅射技术分别制备了氮氧化硅薄膜以及氮化硅/二氧化硅双层薄膜，测试结果表明，就辐射冷却性能而言，氮氧化硅薄膜优于氮化硅/二氧化硅双层薄膜，其中SiON性能最佳，温度降幅达16℃。然而，没有足够手段来继续提高单层氮氧化硅薄膜的辐射冷却能力，为此，Diatezua 等通过制备以氮氧化硅薄膜为基础的多层薄膜结构来进一步提升其夜间辐射冷却能力，测试结果表明，制备的多层薄膜结构最高能将环境温度降低56℃，此创新性的制备方案也为后续的研究开辟了新的思路。

综上所述，夜间辐射冷却材料来源丰富、价格低廉且制备方法较为容易，经过几十年的发展已经达到较高水平，但其最大的局限性在于只适用于夜间，应用场景单一。同时，大多数该种材料的制备方法为真空沉积以及磁控溅射法，导致此种类型的辐射冷却材料不适合大规模生产，因此截至目前为止还没有大范围应用。另一方面，为实现全天持续冷却的目标，必须在白天达到有效的辐射冷却，因此日间辐射冷却材料是未来辐射冷却领域中主要研究方向。

2 日间辐射冷却材料

辐射冷却材料夜间、日间工作原理如图2 所示。相较于夜间辐射冷却，日间辐射冷却面临的难点在于阳光直射下大多数传统热辐射材料会吸收太阳辐射导致自身温度的升高，从而无法进行有效的辐射散热。而日间辐射冷却材料可以克服以上缺点，此类材料既能在大气窗口波段（8～13μm）拥有较高的发射率，同时又在可见光与近红外波段（0.3～2.5μm）具有高反射率。然而，为了实现有效辐射冷却，材料可见光波段与近红外波段的反射率需要达到一定范围（0.9～0.95）才能通过大气窗口波段的热辐射来平衡其他波段对于太阳辐射的吸收，从而达到有效的辐射冷却。综合考量日间辐射冷却材料自身性质及经济性分析，近十年来研究较多的日间辐射冷却材料主要包括超材料、聚合物以及多层薄膜材料等。

图2 辐射冷却材料夜间/日间工作原理示意

2.1 超材料

与自然材料不同，超材料主要在实验室中制备，且其性质由人工结构决定。因此可以通过对其内部宏观结构进行周期性的调整从而获得某些特殊的电磁特性。这些特殊性质为其在辐射冷却领域的应用奠定了重要基础。

2015 年Hossain 等首先提出并制造了由Al 层与Ge 层交替组成的圆锥形且各向异性的超材料结构，这些圆锥形超材料柱形结构能够在8～13μm波段范围内形成强共振，且镀在底部的铝板能够提高整体结构的反射率，该结构在环境温度下具有高达116.6W/m的极高冷却功率。即使环境中存在非辐射式热交换，该超材料也能够将测试环境温度降至12.2℃。进一步地，为解决上述超材料内部叠加层数过多、不易制造等问题，Zou 等制备了一种由金属负载且掺杂硅谐振器的双层超材料结构，该结构具有很强的宽光谱吸收能力以及较宽的发射光谱，与光谱中主要红外大气透明窗口相匹配。对其冷却能力进行仿真分析，该材料可实现的降温幅度为11.14℃。然而这些基于金属负载结构的辐射冷却器的金属背板在使用过程中会屏蔽大量微波信号，继而严重限制其在实际情况中的应用。在此基础上，Liu 等设计了一种使用低损耗电介质来改善谐振质量的电介质谐振器，通过引入有损金属成分的涂层制得该材料，在8～11μm的宽光谱范围内吸收率超过0.8，预计降低测试环境温度12℃。同时该系统可以在0.5mm以上的微波环境中达到较为理想的透明度，该研究为超材料应用于建筑物及汽车辐射冷却领域奠定了重要基础。

上述辐射冷却器系统中都包含抑制光照吸收的金属反射层，如果金属层在使用过程中发生氧化、磨损以及腐蚀，那么辐射冷却器的耐用性将大幅降低。为解决此问题，Rephaeli 等提出一种紧凑型平面光子结构辐射材料，该材料使用线性一维光子晶体代替金属薄膜反射层、使用表面声子-极化子处理后的石英与SiC组成的能够产生互补谐振的二维光子晶体层作为热辐射器组合为一个设备，可实现白天辐射冷却所需的宽带光谱发射性能。经过测试，当该材料最大程度地反射太阳辐射时，在理论上能够达到超过105W/m的冷却功率。另外，如图3，Wu 等受到撒哈拉银色蚂蚁毛发的启发，在PDMS 上设计并制造了三角气隙（TAG）以及桥状气隙（BAG）两种类似银色蚂蚁毛发的光子结构，其不会褪色的银色来自于其独特的仿生TAG/BAG结构，可以代替金属作为反射层，这保证了该结构即使在恶劣的环境下也可长期使用。除此之外，研究人员还从材料本身入手，寻找替代金属反射层的方法。如Zhu等利用光刻法将空气刻蚀到500μm厚的双面抛光熔融SiO光子晶体层中，未在底部放置任何金属薄膜，研究发现该结构能够在保持较高反射率的情况下有效提升大气窗口波段内的红外发射率，将该结构置于日照条件下能够有效降温13℃。

图3 仿生光子结构模拟实验的概念性演示[17]

由于过往研究中超材料辐射冷却器颜色大多为白色或银色，有时并不适合实际应用，研究人员逐渐开始对有色超材料进行研究，Li等通过对各类颜色光子晶体辐射热负荷的可调范围进行了全面的计算。结果表明，对于所有颜色，冷却功率值都超过680W/m，并且由于同色异谱以及红外吸收和辐射冷却的影响，冷却功率值可能高达866W/m，这为有色超材料的广泛应用提供了新的方向。

综上，超材料是近年来最有前途的功能材料之一，且一直是辐射冷却领域中的研究热点。当前研究中主要集中于通过精确设计制备超材料以获得宽光谱范围高反射率以及大气窗口波段内的高红外发射率。这种材料性能优异、耐候性好且可操控性强，适合作为辐射冷却材料，但是目前大多数研究还处于实验室阶段，较难大规模制造的原因在于超材料需要实验室精密仪器在纳米精度范围内制备，且过程较为复杂，造价昂贵的同时较难应用于形状各异的基材上，可扩展性较差。虽然现在已有固体SiO微球与聚-4-甲基-1-戊烯（TPX）聚合物混杂制备出的超表面能够降低制备的复杂度，但是这对于能够大规模制造还是远远不够的。所以未来的研究重点在于如何简化超材料的制作工序以及如何利用传统设备改变制备过程中的条件，制备出辐射冷却性能优异且可大规模制造的超材料。

2.2 聚合物

聚合物材料结构简单、经济性好、易于大规模制造且红外辐射特性优良，因此在辐射冷却材料领域获得了越来越多的关注。在起初的工作中，研究人员主要利用聚合物与金属反射基片结合制备辐射冷却器。Kou等首先利用100μm聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为顶层，并将银层作为底层反射器在高真空环境下使用电子束蒸发法沉积双层涂层，成功制备出结构简单的聚合物材料，性能测试表明，在26℃的环境温度下，该材料的净冷却功率密度为127W/m，在阳光直射下低于环境温度8.7℃。在此基础上，Zhou等利用更为简便的溶液涂覆成膜工艺制备PDMS/金属反射器双层辐射冷却材料并在不同环境条件下进行测试，实验室环境内温度降幅为9.5℃，室外环境中温度降幅为11℃，且该辐射冷却器的平均冷却功率为120W/m。此外，由于PDMS在排污以及腐蚀防护方面的性能不如聚氟乙烯（PVF），所以Meng等提出了一种由PVF和Ag薄膜组成的双层薄膜材料，该结构具有较低的太阳吸收率以及宽光谱范围内红外发射率。对其进行室外测试后结果表明，该冷却器在太阳直射下的平均温度比环境温度低2℃。虽然该辐射冷却器耐候性得到提升，但是冷却性能较之以往却有所下降。

由于金属反射层在室外易受腐蚀而失效，研究人员开始寻找其他方法取代，Mandal等提出一种基于相转化方法制备出的内部具有不规律纳米孔的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯涂料，在不使用金属反射基板的条件下，该涂料具有较高反射率（0.96±0.03）以及优异的中长波段红外发射率（0.97±0.02），优异的性能使得该涂层能够在日照强度为890W/m的环境下温度降幅约为6℃。在此基础上，Xiang 等将SiO微球嵌入三维多孔醋酸纤维素聚合物中制备出可用于全天辐射冷却的三维多孔聚合物膜。经过测试，该材料在日间冷却温度降幅约为6.2℃，比前者提升0.2℃，如图4。

图4 3DPCA/SiO2三维多孔聚合物膜制备过程[25]

另一方面，聚合物辐射冷却材料的可扩展性在实际应用中也十分重要，研究者们在这一方向上进行了深入的研究。Li等使用静电纺丝工艺大规模制备的聚合物纳米纤维辐射冷却材料在8～13μm波段范围内的选择性发射率达到0.78，在0.3～2.5μm波段范围内反射率高达0.963，该纳米纤维在日光照射下的温度降幅为5℃。在此基础上，Chen 等设计了一种彩色可大规模制备的双层聚合物辐射冷却涂料，该涂料顶层为着色剂，底层为多孔聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯与TiO的混合物。测试结果表明，该双层聚合物辐射冷却涂料的颜色和可见光反射率与商用单层涂料相差无几，但是其8～13μm波段范围内的红外发射率（0.89）则比商用单层涂料（0.3）高得多。在日照强度为1025W/m的环境下，该辐射冷却材料能够将测试环境温度降低15.6℃。

上述工作几乎都是在干旱环境中进行测试的，理论表明，大气湿度将会严重降低辐射冷却器对于大气辐射的吸收能力和冷却能力。在干旱环境中，16～25μm 波段范围能够成为第二个大气窗口，从而使材料辐射冷却能力大幅增加。但是，在高温高湿环境下，8～13μm 及6～25μm 波段范围内的透射率会急剧下降。因此，材料的冷却性能将会大幅降低。为解决这一问题，Wang 等制备了具有微孔阵列与随机纳米孔相结合的超疏水多层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，该种薄膜在日照强度为900W/m的环境中降温幅度达6～8.9℃，超疏水化处理后的PMMA 薄膜能够降低水分对于材料性能的影响，在潮湿的环境中，降温幅度也能够达到5.5℃。

综上所述，聚合物材料本身具有的可见光波段的透明特性以及红外辐射特性使得其在辐射冷却领域中展示出巨大的潜力，但当前研究中还存在如下不足之处。

（1）目前无需结合金属反射层的三维多孔聚合物材料的辐射冷却能力不尽如人意，所以未来要从材料本身入手，通过调整多孔材料的制备工艺、内部结构以及掺杂微球种类来进一步提升聚合物的反射率。

（2）有关聚合物材料在高温高湿环境中辐射冷却特性及内部作用机理的研究较少，这样会对辐射冷却材料在高温高湿地区的应用造成阻碍，未来可以借鉴已有研究中的经验，探究如何在高湿度环境中保持聚合物材料大气窗口波段内的高发射率。

（3）聚合物材料本身存在的最大问题在于大多数聚合物材料在室外环境中容易降解而失效，已有研究者试图利用抗紫外线涂料掺杂于聚合物中以提高聚合物在室外的耐候性，但是还没有研究指出能够改善聚合物的长期耐久性具体方案。所以，聚合物耐久性的提高是聚合物辐射冷却材料实际应用的决定因素。

2.3 多层薄膜结构材料

已有研究表明，通过堆叠不同类型电介质层可以扩大该结构的光谱吸收带范围，并获得更为优异的发射光谱可调性。因此研究人员可以通过改变结构中每一层的厚度与材料来改变该结构的辐射特性，多层薄膜结构材料因此获得了较为广泛的研究。

Raman等最先将多层薄膜辐射冷却材料用作白天辐射冷却降温，设计了由7种厚度不同的HfO与SiO薄膜交替沉积在200nm银片上组成辐射冷却材料。将该材料放置于阳光直射下，能够将环境温度降低4.9℃。然而该材料的日间辐射冷却能力并不理想。所以Mabchour 等在此基础上将HfO薄膜更换为TO薄膜以获得更为理想的光谱分布。检测结果表明，此材料在太阳光谱中具有近0.95的高反射率，在大气透明窗口中拥有超过0.85的高发射率。仿真结果表明，该材料在阳光直射下可降低20℃左右。由于AlO在10μm 波长处拥有高吸收率，但是并不适合单独作为辐射冷却材料，所以Kecebas 等在已有研究的基础上向上述系统中添加AlO层以改善系统的辐射冷却性能，通过调整系统中各个氧化物层的厚度使系统的冷却功率提高30～35W/m。更进一步地，Zhu 等提出向上述多层薄膜结构材料中插入MgF和TiO层能够改变该结构的折射率分布，进而利用这两种材料的干涉效应来提高材料的反射率，与先前的工作相比，增加MgF和TiO的薄膜层有效提高了紫外波段的太阳反射率，从而提高了材料的冷却性能。

上述辐射冷却器都具有7层以上交替堆叠的层状结构，制备过程较为复杂。Chae等报道了一种仅具有三个红外发射层的日间辐射冷却材料，通过一维矩阵配方以及PSO方法对其优化后，使得所制造的辐射冷却材料在大气透明窗口中的平均发射率为0.87，然而在太阳光谱区域中的吸收率仅为0.05，该辐射冷却材料在室外温度降幅达8.2℃，如图5。此外还有研究者利用其他理论计算方法对多层薄膜辐射冷却器进行系统优化，Fan 等指出对于多层薄膜结构，若所选冷却材料在大气窗口波段的吸收峰有明显重叠，那么上层冷却涂层将阻挡来自下层涂层的热辐射；如果使用无发射光谱重叠的材料，则可以进一步提高冷却能力。基于此理论，Cunha等通过直流磁控溅射法制备了一种基于Al/SiN/TiO/SiO的多层选择性辐射冷却材料，该设备能够在大气窗口中显示出高发射率，而在其他波段显示出高半球反射率，净冷却功率为43W/m。另外，Wu 等基于遗传算法从理论上提出了由沉积在玻璃上的五层交替的SiO与TiO组成的多层宽带辐射冷却材料，该结构可以在6.9～40μm 的红外区域内强烈发射。在20℃的环境温度下，设计的宽带辐射冷却材料可产生46.88W/m的净冷却功率。

图5 基于PSO方法优化后多层薄膜辐射冷却材料的宏观与微观示意[36]

以上设计中仅基于设计人员的专业知识来优化薄膜种类及厚度，但忽略了太阳辐照度和大气透射率的波动，虽然材料被优化，但并不能使其获得最佳的辐射冷却性能。为解决这一问题，You 等基于遗传算法（GA）与传输矩阵提出一种灵活的混合优化策略并引入辐射冷却功率密度这一概念来对日间辐射冷却器进行进一步的优化。结果表明，与传统的辐射冷却材料相比，通过此混合优化策略能够使材料的发射光谱随太阳辐照度和大气透射率的波动进行自适应调整，该方法能够有效提高材料的辐射冷却性能。

相比于超材料与聚合物，多层薄膜辐射冷却材料因为其易于加工、易进行整体优化等特点在辐射冷却的实际应用领域拥有更大的发展潜力。以上研究表明，多层薄膜材料辐射冷却性能的提升主要集中于优化其中组分的种类和厚度来突破材料本身固有的光谱范围内吸收波段的限制，进一步地人为控制其发射率与反射率。但是目前多层薄膜材料研究中的不足之处在于以下三点。

（1）多层薄膜辐射冷却材料在制备过程中需要进行多次真空沉积操作，这一制备方式成为该种材料大面积制备及应用的阻碍，今后的研究中还应借鉴聚合物材料研究中简化制备过程的经验，继续探究利用简易设备制备多层薄膜材料的可行性。

（2）目前研究中多层薄膜材料的基板大多为反射率较高的金属基板，一些特定情况下金属不适用于实际应用中，同时其耐用性不得而知，未来应从薄膜结构入手，利用薄膜层间优化提高材料的发射率来摆脱对于金属基板的依赖。

（3）当前研究中制备的多层薄膜材料颜色较为单一（多为白色或银色），可能会影响其在实际情况中的应用，虽已有研究者提出利用金属-绝缘体-金属（MIM）薄膜谐振器来控制薄膜的颜色，但是研究只停留在初期，并不深入，未来还有待进一步探讨。

表1总结了超材料、聚合物以及多层薄膜辐射冷却材料的各项性能。由表1可见，超材料拥有相对更高的反射率与红外发射率，具有较好的辐射冷却性能，但是由于其制备过程复杂，所以目前还处于实验室研究阶段；多层薄膜材料与聚合物材料的各项性能较为平均，成本较低的特点使得其应用于实际的概率较高。另外，应考虑将聚合物薄膜以及超材料与多层薄膜材料进行合理结合，集中各类别材料的优势，进一步提升复合材料的辐射冷却性能。

表1 部分日间辐射冷却材料性能汇总

3 实际应用

3.1 具有辐射冷却功能的衣物

由于人体与周围环境的辐射热交换量占40%以上，且人体皮肤热辐射主要处于7～14μm波段范围内，所以将辐射冷却材料与衣物纺织品相结合能够有效降低炎热天气下的人体温度，从而有效节约能源。目前研究最为广泛的纺织品辐射冷却材料包括纤维素以及纳米聚乙烯材料。Zhang 等制备了一种由具有伸缩特性的超细纤维与碳纳米管包覆的三乙酸纤维素纤维丝复合而成的纺织物，该纺织物材料能够根据环境温度与湿度来调整自身的发射率，从而促进人体辐射冷却。但是，该设计只是概念上的突破，并未展示如何使人体有效降温，同时该设计并未考虑热量从人体传递到纺织品的热传导过程。为解决此问题，Wei 等将热导率较高的纳米氧化铝颗粒嵌入纳米多孔乙酸纤维素中制备改性纺织品，并设计一系列降温性能试验，结果表明其能够将模拟皮肤的温度降低2.3～8℃，具有良好的冷却性能。

另一方面，由于聚乙烯材料具有优异的中红外透明性以及对于可见光波段较高的发射率，所以其在纺织物冷却材料领域具有较为良好的前景。但是由于其表面带有较高负电性，与人体皮肤的电性相反，因此在日常穿着中会发生强烈的接触带电，导致人体不适。Peng等指出将纳米多孔聚乙烯超细纤维作为基础材料制备机织织物能够解决此问题，同时该纺织物能够实现如棉布般柔软的触感，如图6。该纺织物出色的冷却效果使得室内测试物体温度降低了2.3℃，相当于节约了20%的能源。在此基础上，Cai 等将纳米氧化锌颗粒嵌入纳米多孔聚乙烯材料中来开发用于室外环境中人体辐射冷却的纳米复合织物。该材料具有超过0.9 的太阳辐射反射率和人体热辐射透过率，测试结果表明，该纳米复合织物能够有效将人体温度上升幅度控制在10℃以内，相当于超过200W/m的冷却功率。

图6 以纳米多孔聚乙烯超细纤维为原材料制备辐射冷却纺织物[46]

综上，目前用于增强人体辐射冷却的新型纺织物的研究已经较为成熟且拥有大规模推广使用的潜力。但是，原料较为昂贵且制备过程较为复杂成为其实际应用的阻碍。未来还应继续研究利用简单原材料代替已有研究中的复杂原材料来获得较为优异的辐射冷却效果。同时，由于聚合物材料耐磨性以及透气性较差，未来研究中有必要从这两方面入手进一步提升辐射冷却材料的各项性能。此外，在未来研究中还应该从汗液浸渍损耗、摩擦损耗、紫外线照射损耗等方面对新型纺织物材料辐射冷却能力的影响进行深入的研究。

3.2 太阳电池辐射冷却

由于太阳电池接收的太阳辐射并不能完全转换成电能，因此有一部分会转换成热能从而加热电池板，研究表明，硅基太阳电池温度每上升1℃，效率就会下降0.45%；温度每上升10℃，老化速率会翻倍。同时，辐射冷却材料在进行冷却工作时无需其他能源消耗，所以利用辐射冷却来降低太阳电池运行温度并延长其寿命是可行的。

Zhu 等首先提出一种沉积于硅基太阳电池片上的二氧化硅金字塔形光子阵列结构，通过仿真分析，能够将太阳电池的工作温度降低18.3K。在此基础上，Long等利用等离子体化学气相沉积法设计并制备了一款微型SiO光栅作为太阳电池的透明及辐射冷却涂层，分别对涂覆与未涂覆该涂层的太阳电池板进行室外冷却测试，结果表明，该SiO微光栅涂层能够使太阳电池板下降2℃。与此同时，Zhu 等指出透明SiO光子晶体拥有较为优异的红外发射率，甚至能够提高太阳电池板对于日光的吸收率，通过将SiO光子晶体放置于太阳电池板的顶部能够将基板温度大大降低（降幅超过13℃），该研究为辐射冷却材料在太阳电池领域的应用提供了新方向。

另一方面，如图7，Li 等制备了一种由AlO、SiN、TiO和SiO组成的多层薄膜涂层材料，该涂层能够降低太阳电池温度5.7℃以上，但是该材料中包含40 层薄膜，涂层较厚会影响其对太阳辐射的吸收率。为解决此问题，Kumar 等通过实验证实仅SiO、SiN、TiO三层薄膜材料便能够将太阳电池温度降低1.9℃以上，尽管降温幅度较小，但是该材料仅165nm，且具有很高透射率，能够将太阳模块的效率提升1%，具有很高实用价值。在此基础上，Kumar 等还对上述材料实际应用性能进行实验与仿真模拟分析，结果表明，在炎热和干燥的气候条件下，具有三层薄膜辐射冷却层的太阳电池组件在经过25年的室外运行后效率并不衰减，且与单层薄膜材料相比，在30℃的环境温度下三层薄膜材料使电池板温度降低5.4℃；当环境温度为45℃，风速为1m/s时，温度降幅高达6.8℃。

图7 辐射冷却材料对太阳电池板的能量吸收与热辐射性能的影响[53]

以上研究表明，辐射冷却材料能够在无需其他能源消耗的情况下有效降低太阳电池的工作温度。但是该材料目前还处于实验阶段，阻碍其实际应用的原因在于：①当前研究中并未考虑所选材料的热导率，热导率较低将会在实际情况中降低太阳电池的散热效率；②材料成本较为昂贵，降温效率与其他降温装置相比并不突出，较长的投资回报期阻碍了该材料的实际应用。所以未来应从这两点出发，对提升太阳电池所用辐射冷却材料的热导率以及进一步降低其成本进行广泛的研究。

3.3 建筑冷却

据统计，在我国建筑物消耗的能源占总能源的30%以上，且全球变暖的趋势将会进一步抬升环境温度，为解决此问题，开发建筑物被动辐射冷却材料具有十分重要的意义，且会对我国节能减排事业与可持续发展产生有益影响。其中建筑冷却占有很大比重，近年来也逐渐成为研究热点。

Fang 等基于名为RadiCold 的超材料薄膜开发出一种建筑物屋顶冷却装置，对其进行建模并进行模拟分析，结果表明，经由RadiCold超材料薄膜从建筑物散发到室外环境的热量为137.6～268.7kWh/(m·a)，建筑物室内外温差相差5℃左右。然而，建筑辐射冷却材料需要经济性好、便于施工、耐候性强以及可扩展性好等特点。目前看来，具有较高红外发射率和反射率的涂料是较有前途的建筑用辐射冷却材料。Mandal等提出了一种结构简单的白色TiO辐射冷却涂料，但并未对其性能进行检测。进一步地，Romeo 等将由高发射率（0.88）上层乳液涂层与高反射率（0.859）底漆复合而成的双层涂料涂覆于建筑物屋顶并检测其冷却效果，结果表明，该涂层能够将建筑物工作温度平均降低2.3℃，展示出极大应用潜力。此外，Kolokotroni 等将包含有热塑性聚烯烃材料的涂料涂覆于一栋建筑屋顶，测试结果表明，在周围温度约为28℃的环境中，屋内天花板表面温度平均降低6.8℃，室内空气温度降低2.3℃。

综上所述，受制于价格、形状各异的基体、环保以及施工难度等因素，建筑辐射冷却材料的研究目前并不广泛，大多集中于效果适中但通用性与可扩展性好的涂料方向，但是涂料中的无机填料粉末可能会成为致癌物，当前研究中对于所制涂料的环保性研究较少，同时目前制备的涂料大多为白色，会在一定程度上造成光污染。未来应对环保有色建筑冷却涂料进行广泛研究，以便于大范围推广使用。另一方面，除建筑物外围涂覆材料外，还应从建筑结构材料方向入手，挖掘具有良好辐射冷却特性与机械强度的结构材料的潜力，为提升我国建筑能源利用效率提供一条新路径。

3.4 辅助冷却结构

虽然前人对辐射冷却技术已进行了大量研究，但是该技术目前仍不成熟，也并无有关商用设备投放市场。主要原因在于与其他主动冷却技术相比，辐射冷却的冷却功率密度相对较低，同时也会受到天气与环境的影响，因此有研究者将辐射冷却技术作为辅助冷却结构与其他技术手段相结合来实现更为优异的冷却效果。

辐射冷却技术能够与其他冷却技术结合来进一步提升系统的冷却能力。Voorthuysen等将辐射冷却结构与光热（CSP）发电厂干式冷却系统结合来降低传统干式冷却法对发电效率的不利影响，在该系统中，辐射冷却材料在日间进行辅助冷却，夜间产生的冷气被存储在蓄冷装置中供日间继续使用。但是该设计仅进行初步评估，并未强调辐射冷却在复合冷却系统中的应用潜力。在此基础上，Zeyghami 等通过计算CSP电厂冷却系统功率循环的补充冷却负荷与冷却系统传热模型的辐射冷却热通量，提出了复合冷却系统中所需的辐射冷却结构的面积。模拟计算结果表明，在理想工作条件下，辐射冷却结构能够提供135W/m的补充冷却功率。另一方面，Zhao等设计了一种辐射冷却辅助热电冷却系统，由超材料薄膜制成的辐射冷却结构能够全天不间断制冷。根据不同的运行模式，辐射冷却结构产生的冷却能量既可以用于降低热电冷却系统高温侧的温度，也可以储存于蓄冷罐中供未来使用。测试结果表明，日间与夜间环境条件下辐射冷却结构的制冷量分别占复合冷却系统的55%与45%。该结果也证明了辐射冷却/热电冷却复合系统在实际中应用的可行性。

此外，辐射冷却技术还能够与其他非冷却技术相结合来实现多功能能源结构。Matsuta 等首先提出夜间辐射冷却与日间太阳能集热结合使用。他们将聚二氟乙烯薄膜涂覆于黑色铜板上，所制成的复合表面能够在白天充当太阳能集热器，在夜晚作为辐射冷却器使用。但该设计仅提出构想，并未进行长期实验与辐射冷却性能测试。在此基础上，Hu 等将钛基太阳能选择性吸收剂与聚对苯二甲酸（PET）相结合，制备的复合材料在太阳辐射和大气窗口波长中具有高光谱吸收率（发射率），测试结果表明，与传统平板式太阳能集热器相比，该系统的加热效率为86.4%，同时其夜间最大辐射冷却功率为50.3W/m，具有较为优异的全天工作能力。然而上述复合材料表面在太阳辐射收集期间会在大气窗口波段范围内向外发射能量，从而削弱系统集热能力。为解决此问题，Vall 等提出利用自适应覆盖层将太阳能集热与辐射冷却技术相结合，制造出辐射收集/发射（RCE）装置。该覆盖层能够在太阳能集热模式中提供太阳辐射波段的高光谱透射率与红外波段的低光谱透射率，而在辐射冷却模式中提供大气窗口波段的高光谱透射率。对RCE装置进行昼夜集热/冷却性能测试，结果表明，复合系统在日间的加热功率峰值达583W/m，夜间冷却功率峰值为33W/m，该研究为太阳能集热/辐射冷却复合系统的实际应用提供了新思路。

如上所述，对于辐射冷却/其他冷却技术复合系统，辐射冷却材料的简易工作原理以及不消耗能源便可制冷等特性使其具有大规模推广使用的潜力，但是目前辐射冷却材料大多为静态冷却，当环境温度下降到一定程度时，无法自动停止冷却从而造成过度冷却是该系统面临的问题，已有研究人员提出在现有辐射冷却材料中结合相变材料来实现自适应辐射冷却，但是研究并不深入，未来还要从这一方向上进行深入研究。

对于辐射冷却/太阳能集热复合系统，虽然当前文献报道中的复合系统兼具太阳能集热与辐射冷却能力，但是大多只停留于小规模实验阶段，同时其集热效率与辐射冷却功率并不理想。如何降低系统中辐射冷却结构对集热能力的影响是当前的技术难题。此外，在实际应用中，太阳能集热板需要倾斜一定角度以吸收太阳辐射，但是当前有关不同倾斜角度对于材料辐射冷却能力影响的研究较少。未来还应从实际出发，结合环境特点，探寻最佳倾斜角度以获得最佳集热效率与辐射冷却功率。

4 结语

辐射冷却材料近年来一直是功能材料领域中的研究热点。其中，由人为控制晶格结构的超材料能够在有效反射太阳辐射的同时拥有较高发射率，但是其需要在纳米精度范围内严格精确地制造，较难扩大生产规模；结构简单且成本较低的聚合物材料也拥有较为优异的辐射冷却特性，但是易在室外环境中降解，成为其实际应用的最大障碍；多层薄膜结构材料易于加工且易于整体优化的特性使其成为最具实际应用潜力的辐射冷却材料，但是真空沉积制备过程以及对于金属基板的依赖却阻碍了其大规模的实际应用。

综上，各类辐射冷却材料都拥有各自的局限性，对其进行合理结合，集中各类别材料的优势，制备出低成本且具有多种优异性能的辐射冷却材料是未来主要发展方向，另外还需从以下方面进行深入研究。

（1）目前大多数研究还处于各类辐射冷却材料的实验室制备上，并未对长时间实际使用后材料自身的辐射冷却特性（反射率、光谱发射率）、耐候性、平均工作寿命等方面进行完整评估，以至于大规模推广使用速度缓慢。

（2）环境温度、天空云量、当地风速与放置倾斜角等外界条件都会对材料的辐射冷却能力产生影响，但是目前对这些影响因素还鲜有探讨。

（3）辐射冷却材料与相变材料复合而成的自适应辐射冷却材料能够根据外界温度变化来改变自身辐射冷却特性，但如何提升二者的相容性有待进一步探索。

（4）探究更多具有可操控电磁波特性的材料，如石墨烯已在电磁波调制领域被广泛研究，同时其还具有高热导率以及高红外发射率等特性，但是在辐射冷却材料研究领域还是空白。

（5）开发辐射冷却分析软件并建立辐射冷却材料大数据库，有利于复合系统在不同环境、工况下迅速匹配合适种类的辐射冷却材料，降低前期选材成本。