近日，中國科大工程學院/太陽能光熱綜合利用安徽省重點實驗室裴剛教授和國家同步輻射實驗室/核科學技術學院鄒崇文研究員聯合研究團隊提出了一種全新的能量利用方法，該方法分別以太陽（約6000K）和太空（約3K）為熱源和冷源，巧妙利用光譜自適應智能涂層來解決光熱轉換過程和輻射制冷過程的光譜沖突，實現24小時全天候的冷熱能量捕獲和利用。相關研究成果以“Self-adaptive integration of photothermal and radiative cooling for continuous energy harvesting from the sun and outer space”為題，于2022年4月19日發表在國際著名期刊“Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）”。
人類社會使用的絕大部分能源均來自于太陽輻射，能源做功利用之后的余熱則可以通過中紅外熱輻射散失到低溫太空中去。從熱力學的角度來看，太陽和太空是地球能量循環的終極熱源和終極冷源。光熱轉換通過對太陽輻射直接利用，獲得高溫熱能；而天空輻射制冷可以將地表能量以紅外輻射形式通過大氣窗口（8-13μm）直接發射至低溫太空，獲得低溫冷量，實現對深空低溫的超遠距直接利用。然而，目前的光熱轉換和天空輻射制冷都依賴于靜態的光譜選擇性涂層，但兩種過程存在紅外光譜沖突，目前技術都是對單一目標、單一功能的利用。基于此，團隊創新性提出利用光譜自適應調控機制對太陽熱源和太空冷源進行時間解耦，突破目前對太陽熱源和太空冷源的單一利用方式。
該工作中，研究團隊研制了一種基于二氧化釩(VO2)相變材料的多層膜光譜選擇性自適應涂層，該涂層在白天太陽輻照下處于金屬態，整體涂層太陽吸收率為0.89，紅外發射率僅為0.25，表現為光熱吸收特性；在夜間無輻照條件下，處于絕緣態，涂層在大氣窗口波段具有高的發射率，在其余中紅外波段具有低的發射率，表現為輻射制冷特性。實測結果表明，該器件表面溫度在白天可以比環境溫度高170℃，在夜間可以比環境溫度低20℃，具有白天光熱轉換、夜間輻射制冷的自適應功能。器件可以24小時全天候運行，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。這一研究結果為基于太陽熱源和太空冷源的能量捕獲和高效利用提供了一種全新的途徑。
裴剛教授團隊一直致力于太陽能和天空輻射制冷領域的研究，一方面發展了太陽能與天空輻射制冷綜合利用理論并提出了多種綜合利用過程的光譜耦合原則，引入光學薄膜和光子晶體結構，實現了涂層多截止波長下的光譜選擇性；另一個方面深耕于日間天空輻射制冷技術，通過高性能光譜選擇性涂層的開發、低熱損系統研制以及輻射傳輸路徑優化等手段，實現了太陽輻照條件下的被動制冷效果。上述技術可以廣泛應用于建筑節能、光伏冷卻、熱電轉換以及深空探索等領域。鄒崇文研究員團隊長期從事二氧化釩相變薄膜的制備、相變調控研究以及在紅外/太赫茲器件、智能涂層、激光防護和非制冷紅外探測器等方面的器件應用。
論文的第一作者為工程學院的敖顯澤、趙斌和國家同步輻射實驗室的李博文，通訊作者為裴剛教授和鄒崇文研究員。本研究得到國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會、中央高校基本科研業務費專項資金以及多能互補能源轉化研究中心等項目和機構的支持。相關測試工作也得到了中國科大微納中心以及同步輻射國家實驗室軟X射線磁性圓二色實驗站(BL12B)和紅外譜學和顯微成像實驗站(BL01B)的大力支持。