Adv. Func. Mater.：方向选择性天空辐射制冷超薄膜用于日间采光窗户

垂直表面（如建筑窗户）的辐射冷却受限于可见光透光率与方向性热发射之间的内在矛盾：传统非对称发射器虽能抑制地面辐射，但完全不透明，无法集成于窗户；现有透明导电氧化物和金属薄膜方案亦因中红外反射率不足或可见光不透明而难以兼顾。基于此，本文提出一种几何介导的透明非对称发射器（Transparent asymmetric emitter, TAE），通过微棱镜阵列设计，在朝向地面的棱镜面上进行部分银覆盖（覆盖率ρAg = 0.6），实现了可见光透光率与中红外方向性发射的解耦控制。角分辨测量显示，TAE在天空方向具有75%的可见光透光率和0.95的中红外发射率，而地面方向的中红外发射率被抑制至0.16。真空实验中最大降温达26.4°C，户外实测在地面温度31.5°C时实现约10°C降温，全球建筑能耗模型预测其在低纬度地区节能效果最优，为窗户集成辐射冷却提供了可行路径。相关工作以Sky-Directional Radiative Cooling Meta-Films for Daylighting Windows为题发表在Advanced Functional Materials期刊。

文章首先提出基于微棱镜阵列的透明非对称发射器设计方案，以三角棱柱的上角α、底角β和地面侧棱面银覆盖率ρAg为结构参数，定义兼顾天空方向可见光透光率和地面方向中红外反射率的品质因子（Figure-of-merit, FoM），经参数扫描确定最优结构（α = 90°、β = 45°、ρAg = 0.6），并通过几何光学追迹揭示银覆盖率过高时全内反射导致透光率下降的机理（图2a–d）。随后通过卷对卷压印和电子束倾斜蒸镀制备该微棱镜薄膜，角分辨光谱测量验证了天空方向平均可见光透光率75%、中红外发射率0.95和地面方向中红外发射率0.16的非对称光学响应，可见光与红外相机图像证实了其角度选择性透明和发射特性（图2e–f）。接着在真空腔中构建冷热板环境以排除对流和传导干扰，随热板温度从30°C升至80°C，TAE相比黑体发射器最大降温26.4°C；户外实测中，TAE与对照样品太阳透光率匹配以解耦太阳加热影响，在地面温度31.5°C时TAE室内空气温度较黑体发射器低10.1°C、较白体发射器低3.2°C，验证了抑制地面辐射和增强天空辐射的双重效果（图3）。之后建立考虑角度依赖光学特性和真实地面温度的建筑能耗模型，以首尔为基准计算逐月能耗，发现TAE在制冷季优势显著，在供暖季接近白体发射器，全年能耗与“理想季节调制”相当；对武汉、菲尼克斯、首尔和费尔班克斯四城市的对比表明低纬度地区TAE节能优势明显，高纬度地区白体发射器更优；进一步将模型扩展至全球6697个气象站点，绘制了TAE相对黑体发射器的年度节能潜力分布图，显示干旱低纬度地区节能最高可达106.5 MJ/m2，而高纬度冷区优势减弱（图4）。最后，通过对比已有非对称发射器的性能，凸显TAE在保持高天空方向发射率的同时兼具可见光透明的独特优势，并讨论了微棱镜结构对成像清晰度的影响以及未来通过减缩特征尺寸实现自清洁功能的改进方向。

图1窗户的透明非对称发射器概念。（a）黑体发射器（Black emitter, BE）、不透明非对称发射器和透明非对称发射器中辐射和太阳相互作用的示意性比较。（B）黑体发射器（顶部）和透明非对称发射器（底部）垂直表面的太阳光谱辐照度和净光谱辐照度。黄线、红线和蓝线表示太阳热收入、地面热通量和净MIR热通量;正值和负值表示净加热和冷却。（c）透明非对称发射器的工作原理的示意图。（d）在Ag涂覆之前（左）和之后（右）PET基微棱镜膜的照片。

图2透明非对称发射器的设计和测量。（a）几何设计和优化过程。定义设计参数的横截面单位晶胞，包括棱镜角（α，β）和银覆盖率（ρAg）（左），以及作为α，β，和ρAg函数的计算优值（FoM）（右）。（b）计算优化结构的全方位光学性能（α= 45 °，β= 90 °，ρAg= 0.6）。可见光透射率（左）和中红外发射率（右）作为入射角（θ）和方位角（ϕ）的函数。蓝色和红色区域分别代表天空和地面角区域。（c）对于各种银覆盖率，ρAg（左），在-90°C至+90°C的入射角（θ）范围内计算的角度分辨可见光透射率，以及ρAg= 1和ρAg= 0时θ= 30°的内部光线跟踪图（右）。（d）计算出的到达后玻璃界面的透射率与后入射角（θr）的函数关系。阴影轨迹表示在后玻璃表面发生全内反射（Total internal reflection, TIR）的光路。（e）测量的可见光透射率的角度分辨光谱（左）。（f）在θ= −60°、−30°、0°、30°和60°时拍摄的TAE可见光和红外图像。

图3透明非对称发射器的室内和室外现场试验。（a-c）采用冷台（0℃）和温控热台的室内真空室测量。（a）真空室配置示意图。（b）TAE和BE热台温度逐步升高时随时间变化的样品温度。（c）稳态温度随热台温度的变化。TAE和BE的阶段温度。（d，e）2025年11月12日在龙仁露天条件下的室外测量。（d）实验装置的照片和示意图，说明了使用黑体吸收器和铝聚酯薄膜反射器的样品安装和热电偶放置。（e）白体发射器（White emitter, WE），TAE，BE、地面和环境空气（顶部）。TAE和WE/BE之间的温差（底部）。

图4全年能耗。（a）建筑能耗模型示意图，包括太阳能增益（Psolar）、传导热传递（Pcond）、辐射交换（Prad）和对流热传递（Pconv），室内和室外窗表面温度（Tw, in和Tw, out）。（b）韩国首尔的Emon（Monthly cooling and heating energy）和平均地面温度。（c）计算四个代表性城市（武汉、凤凰城、首尔和费尔班克斯）的年平均温度。（d）考虑相邻结构时，计算出的相同四个城市的年制冷量。（e）计算出的全世界许多城市的TAE与具有相邻结构的建筑物的BE相比的年制冷节能潜力。

小结：为解决垂直窗户辐射冷却中可见光透明与方向性热发射难以兼顾的问题，文章提出了基于微棱镜阵列几何光学设计的透明非对称发射器策略。研究首先建立以三角棱柱角度和地面侧棱面银覆盖率为变量的品质因子优化框架，经参数扫描确定最优几何构型（α = 90°、β = 45°、ρAg = 0.6），并通过光线追迹阐明银覆盖率过高时全内反射导致透光率损失的机理。随后通过卷对卷压印和电子束倾斜蒸镀制备TAE薄膜，角分辨光谱和红外热像表征显示其天空方向可见光透光率达75%、中红外发射率0.95，而地面方向中红外发射率仅0.16。冷却性能上，真空腔中TAE在热板80°C时相对黑体发射器降温26.4°C；户外实测中在地面温度31.5°C时室内空气温度较黑体发射器低10.1°C、较白体发射器低3.2°C，证实了抑制地面寄生热吸收和增强天空辐射冷却的双重收益。最后，建立包含角度依赖光学特性和真实地面温度的建筑能耗模型，计算全球6697个气象站点的年度能耗，揭示低纬度干旱地区节能潜力最高可达106.5 MJ/m2，且TAE全年能耗与“理想季节调制“相当，为窗户集成辐射冷却提供了可扩展、高效且与现有玻璃基础设施兼容的解决方案。

论文信息：Yu, S., Kim, J., He, J., Kang, G., Ko, H., Koo, D., Hu, R., &Kim, S. Sky-Directional Radiative Cooling Meta-Films for Daylighting Windows. Advanced Functional Materials e77831 (2026).

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