東南大學趙東亮教授Nano Letters：一種透明的定向熱發射器

被動輻射冷卻技術已得到廣泛研究，然而，由于窗戶是建筑構件中能效最低且視野受限的部件，實現窗戶的有效冷卻仍是一項關鍵挑戰。與水平表面不同，垂直朝向窗戶的有效冷卻需要嚴格抑制來自高溫環境的寄生熱輻射，同時保持可見透明度。本研究提出一種透明不對稱定向發射器（transparent asymmetric directional emitter, TADE），其可見光透射率高達0.83，且其具有不對稱發射特性，在垂直配置下對天空和地面分別呈現高和低發射率。現場測量表明，夏季正午面向熱地面時，TADE集成玻璃與普通玻璃相比可實現最大4.8°C的溫度降低。全球建筑能耗模擬研究表明，TADE的定向熱輻射特性可有效降低炎熱氣候下的加熱、通風和空調（Heating, ventilation, and air conditioning, HVAC）能耗，為提升建筑窗戶的能效提供了創新解決方案。相關工作以A transparent directional thermal emitter為題發表在Advanced Materials期刊。

本文提出一種透明不對稱的定向發射器，首先介紹了其與全向發射器的傳熱及輻射冷卻過程（圖1）；然后計算了其光學特性，展示了ITO涂層對中紅外光的反射及PVA涂層對中紅外光的吸收（使結構產生預期不對稱發射行為）（圖2）；展示了其制作及光熱測量過程（圖3）；最后進行了實際輻射冷卻性能測試及HVAC節能分析（圖4）。

圖1.垂直的定向和全向發射器（一半為理想側）的傳熱過程示意圖及輻射冷卻性能理論分析。(a)常規玻璃與TADE集成玻璃的光熱傳遞示意圖。需注意，彎曲箭頭僅用于視覺清晰度以區分光路，并不表示光在自由空間中發生彎曲; (b)TADE的宏觀與微觀結構示意圖，由ITO/PVA鋸齒狀光柵和SEBS阻抗匹配層構成；(c)在環境溫度為30 °C時，全向和定向發射器的穩態溫度Tsteady隨Tground從30 °C升至80 °C而變化。實線和虛線分別表示對流-傳導熱傳遞系數為0和8 W/m2·K。

圖2. TADE的計算光學特性。(a)20 μm厚SEBS（styrene?ethylene?butylene?styrene）膜的可見光-中紅外透射率計算值，300nm厚ITO層的可見光透射率與中紅外反射率，以及140 μm厚PVA膜的可見光透射率與中紅外吸收率；(b)TADE的太陽光透射率角依賴譜的計算；(c)計算得到的TADE（左）角依賴性中紅外發射率光譜及10 μm波長入射光在±50°入射角下的電場分布（右）；(d)對計算數據進行統計分析，顯示TADE在不同入射角下ATW波段的平均可見光透射率（上）和平均發射率（下）。

圖3. TADE的制作及光熱測量。(a)葉片前放置TADE的光學照片（上）及TADE側視圖（下）；(b)TADE表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（左上）及橫截面圖像（左下）；(c)TADE無SEBS、TADE及TADE集成玻璃的測量太陽直射/總透射光譜；(d)TADE的測量角度依賴性MIR發射率光譜；(e)置于60°C熱板上的TADE集成玻璃在不同觀測天頂角和方位角下拍攝的紅外圖像；(f)室內熱測量裝置示意圖，分別采用加熱器和干冰模擬熱地面與冷外太空環境；(g)隨著人工地溫升高，TADE集成玻璃與普通玻璃的實時溫度記錄數據；(h)不同人工地溫下TADE集成玻璃與普通玻璃的統計穩態溫度，灰色陰影區域表示理論模型預測范圍。

圖4.現場實測數據表明TADE在垂直表面具有增強的輻射冷卻性能，并進行了HVAC節能分析。(a)現場測量期間周邊環境的光學照片；(b)現場測量期間周圍環境的紅外圖像；(c)現場測量裝置的光學照片及測試室示意圖，采用黑色背景以標準化太陽吸收，從而消除太陽光譜差異，并隔離由熱輻射引起的熱性能差異；(d)2025年6月18日中午前后記錄的實時溫度剖面，采用PE對流屏蔽；(e)2025年6月6日夜間使用PE對流屏蔽器記錄的實時溫度曲線；(f)2025年11月14日中午時分，未使用PE對流屏蔽裝置記錄的實時溫度曲線；(g)TADE模擬的全球HVAC節能百分比與對稱高輻射率窗戶的對比。

小結：本研究基于幾何光學原理和阻抗匹配技術，成功研發出一款兼具柔韌性和輕量化特性的透明不對稱定向發射器（transparent asymmetric directional emitter, TADE）。該裝置在可見光波段實現0.83的高透光率，同時在中紅外光譜區域展現出顯著的不對稱熱輻射特性。現場實測數據證實，TADE在建筑立面輻射冷卻方面具有顯著優勢：通過有效抑制地面熱輻射的寄生效應，集成TADE的玻璃在夏季高溫時段的平均溫度降幅達到3.8°C，較普通玻璃表現更優。全球HVAC系統模擬結果進一步表明，相較于采用全向高/低發射率玻璃的方案，TADE在炎熱地區能有效降低能耗。這項研究為開發先進光熱管理材料提供了重要技術框架，為新一代節能建筑的實現提供了極具前景的解決方案。

論文信息：Chen, Qixiang, Zhuning Wang, Xinyu Zhao, Fan Fan, Yaoguang Ma, and Dongliang Zhao. "A Transparent Directional Thermal Emitter." Nano Letters (2026).

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