一种利用光子化学势增强被动辐射冷却的理论模型

张学志; 李炜

doi:10.37188/CJL.20250040

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

一种利用光子化学势增强被动辐射冷却的理论模型

理论计算及光谱分析 | 更新时间：2026-01-27

- 一种利用光子化学势增强被动辐射冷却的理论模型
  增强出版
- A Theoretical Model for Enhanced Passive Radiative Cooling by Utilizing Photon Chemical Potential
- 发光学报 2025年46卷第6期页码：1129-1138
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所微纳光子学与材料国际实验室，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  [ "张学志（1999-），男，河北衡水人，硕士研究生，2022年于河北工业大学获得学士学位，主要从事热辐射调控的研究。" ]
  [ "李炜（1989-），男，陕西西安人，博士，研究员，2016年于美国范德堡大学获得博士学位，主要从事包括热光子学、纳米光子学、光与物质相互作用及其在下一代信息和能源技术中的应用等方面的研究。" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(62134009;62121005)
- DOI：10.37188/CJL.20250040
  中图分类号： O432.1
- CSTR：32170.14.CJL.20250040
- 收稿：2025-02-25，
  
  修回：2025-03-09，
  
  纸质出版：2025-06-25
- 稿件说明：
移动端阅览
张学志,李炜.一种利用光子化学势增强被动辐射冷却的理论模型[J].发光学报,2025,46(06):1129-1138.

ZHANG Xuezhi,LI Wei.A Theoretical Model for Enhanced Passive Radiative Cooling by Utilizing Photon Chemical Potential[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(06):1129-1138.
张学志,李炜.一种利用光子化学势增强被动辐射冷却的理论模型[J].发光学报,2025,46(06):1129-1138. DOI： 10.37188/CJL.20250040. CSTR： 32170.14.CJL.20250040.

ZHANG Xuezhi,LI Wei.A Theoretical Model for Enhanced Passive Radiative Cooling by Utilizing Photon Chemical Potential[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(06):1129-1138. DOI： 10.37188/CJL.20250040. CSTR： 32170.14.CJL.20250040.

摘要

被动辐射冷却技术因其在能源节约和环境调节方面的潜力而受到广泛关注。然而，该技术的冷却能力受到普朗克定律的固有限制。近期研究表明，正光子化学势具有提升理论辐射功率密度的潜力，但这一过程需要能量输入。本研究提出了一种集成热机和热辐射二极管（TRD）的理论模型，该模型能够被动地实现正光子化学势，从而在理论上增强辐射冷却功率密度。研究结果表明，TRD与热电发电机（TEG）的耦合系统可有效提升冷却功率。计算显示，当卡诺热机热端和冷端温度分别为300 K和280 K时，TRD-卡诺热机耦合系统有达到606.3 W/m²辐射功率密度峰值的潜力。该峰值辐射功率密度有潜力超过300 K下的理想黑体辐射功率密度459 W/m

。本研究通过理论计算表明，TRD与热机的协同效应为增强辐射冷却性能提供了一种新途径。

Abstract

Passive radiative cooling has garnered significant attention due to its potential in energy conservation and environmental regulation. However， the cooling power of passive radiative cooling is inherently limited by Planck’s law. Recent research found that positive photon chemical potential has the potential to enhance radiation power， albeit it necessitates an active energy input. This study proposes a theoretical model integrating a heat engine and a thermal radiation diode （TRD） that can passively achieve positive photon chemical potential， thereby enhancing radiative cooling power. The results demonstrate that the integrated system of TRD and thermoelectric generator （TEG） can effectively improve cooling power. Theoretical results indicate that the TRD-Carnot engine coupled system has the potential to achieve a peak radiation power density of 606.3 W/m² when the Carnot engine operates at 300 K （hot reservoir） and 280 K （cold reservoir）. The peak radiation power density has the potential to exceed the ideal blackbody radiation density at 300 K， which is 459 W/m

. This study theoretically confirms that the synergistic effect between TRD and heat engine provides a novel approach for enhancing radiative cooling performance.

关键词

Keywords

references

FAN S H ， LI W . Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling ［J］. Nat. Photonics ， 2022 ， 16 （ 3 ）： 182 - 190 . doi: 10.1038/s41566-021-00921-9 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-021-00921-9

RAMAN A P ， ANOMA M A ， ZHU L X ， et al . Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight ［J］. Nature ， 2014 ， 515 （ 7528 ）： 540 - 544 . doi: 10.1038/nature13883 http://dx.doi.org/10.1038/nature13883

ZHOU L ， SONG H M ， LIANG J W ， et al . A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling ［J］. Nat. Sustain. ， 2019 ， 2 （ 8 ）： 718 - 724 . doi: 10.1038/s41893-019-0348-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41893-019-0348-5

ZENG S N ， PIAN S J ， SU M Y ， et al . Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling ［J］. Science ， 2021 ， 373 （ 6555 ）： 692 - 696 . doi: 10.1126/science.abi5484 http://dx.doi.org/10.1126/science.abi5484

LIN K X ， CHEN S R ， ZENG Y J ， et al . Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity ［J］. Science ， 2023 ， 382 （ 6671 ）： 691 - 697 . doi: 10.1126/science.adi4725 http://dx.doi.org/10.1126/science.adi4725

LEE M ， KIM G ， JUNG Y ， et al . Photonic structures in radiative cooling ［J］. Light Sci. Appl. ， 2023 ， 12 （ 1 ）： 134 . doi: 10.1038/s41377-023-01119-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-023-01119-0

WANG C H ， CHEN H ， WANG F Q . Passive daytime radiative cooling materials toward real-world applications ［J］. Prog. Mater. Sci. ， 2024 ， 144 ： 101276 . doi: 10.1016/j.pmatsci.2024.101276 http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101276

DONG Y ， ZHANG X P ， CHEN L L ， et al . Progress in passive daytime radiative cooling： a review from optical mechanism， performance test， and application ［J］. Renew. Sustain. Energy Rev. ， 2023 ， 188 ： 113801 . doi: 10.1016/j.rser.2023.113801 http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2023.113801

XIE F ， JIN W L ， NOLEN J R ， et al . Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces ［J］. Science ， 2024 ， 386 （ 6723 ）： 788 - 794 . doi: 10.1126/science.adn2524 http://dx.doi.org/10.1126/science.adn2524

LI W ， LIU T J ， ZHU J . Thermal photonics for sustainability ［J］. Nanophotonics ， 2024 ， 13 （ 5 ）： 539 - 541 . doi: 10.1515/nanoph-2024-0082 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2024-0082

LIU T J ， GUO C ， LI W ， et al . Thermal photonics with broken symmetries ［J］. eLight ， 2022 ， 2 （ 1 ）： 25 . doi: 10.1186/s43593-022-00025-z http://dx.doi.org/10.1186/s43593-022-00025-z

ZHU L X ， RAMAN A P ， FAN S H . Radiative cooling of solar absorbers using a visibly transparent photonic crystal thermal blackbody ［J］. Proc. Natl. Acad. Sci. USA ， 2015 ， 112 （ 40 ）： 12282 - 12287 . doi: 10.1073/pnas.1509453112 http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1509453112

LI W ， SHI Y ， CHEN K F ， et al . A comprehensive photonic approach for solar cell cooling ［J］. ACS Photonics ， 2017 ， 4 （ 4 ）： 774 - 782 . doi: 10.1021/acsphotonics.7b00089 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00089

WEI J ， CHEN H ， LIU J C ， et al . Radiative cooling technologies toward enhanced energy efficiency of solar cells： materials， systems， and perspectives ［J］. Nano Energy ， 2025 ， 136 ： 110680 . doi: 10.1016/j.nanoen.2025.110680 http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110680

ZHANG A Y ， CHENG Z M ， WANG F Q ， et al . Radiative property investigation of metal nanoparticles embedded in absorption layer for thin-film solar cell with the consideration of medium absorption and dependent scattering ［J］. Opt. Commun. ， 2023 ， 545 ： 129654 . doi: 10.1016/j.optcom.2023.129654 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2023.129654

LI D ， LIU X ， LI W ， et al . Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling ［J］. Nat. Nanotechnol. ， 2021 ， 16 （ 2 ）： 153 - 158 . doi: 10.1038/s41565-020-00800-4 http://dx.doi.org/10.1038/s41565-020-00800-4

TONG J K ， HUANG X P ， BORISKINA S V ， et al . Infrared-transparent visible-opaque fabrics for wearable personal thermal management ［J］. ACS Photonics ， 2015 ， 2 （ 6 ）： 769 - 778 . doi: 10.1021/acsphotonics.5b00140 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00140

HSU P C ， SONG A Y ， CATRYSSE P B ， et al . Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile ［J］. Science ， 2016 ， 353 （ 6303 ）： 1019 - 1023 . doi: 10.1126/science.aaf5471 http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf5471

LIN K T ， NIAN X B ， LI K ， et al . Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling ［J］. eLight ， 2023 ， 3 （ 22 ）： 1 - 12 . doi: 10.1186/s43593-023-00053-3 http://dx.doi.org/10.1186/s43593-023-00053-3

LI Y R ， WANG F Q ， ZHANG A Y ， et al . Performance of the multilayer film for infrared stealth based on VO 2 thermochromism ［J］. J. Therm. Sci. ， 2024 ， 33 （ 4 ）： 1312 - 1324 . doi: 10.1007/s11630-024-1998-9 http://dx.doi.org/10.1007/s11630-024-1998-9

ZHANG S ， YAN Y Y ， CHENG Z M ， et al . Charging and discharging in thermal energy storage unit with fin-stone hybrid structure for enhancing heat transfer of phase change materials ［J］. Int. J. Heat Mass Transf. ， 2024 ， 224 ： 125325 . doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125325 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125325

DONG Y ， MENG W F ， WANG F Q ， et al . “Warm in winter and cool in summer”： scalable biochameleon inspired temperature-adaptive coating with easy preparation and construction ［J］. Nano Lett. ， 2023 ， 23 （ 19 ）： 9034 - 9041 . doi: 10.1021/acs.nanolett.3c02733 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02733

LI W ， BUDDHIRAJU S ， FAN S H . Thermodynamic limits for simultaneous energy harvesting from the hot sun and cold outer space ［J］. Light Sci. Appl. ， 2020 ， 9 ： 68 . doi: 10.1038/s41377-020-0296-x http://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-0296-x

RAMAN A P ， LI W ， FAN S H . Generating light from darkness ［J］. Joule ， 2019 ， 3 （ 11 ）： 2679 - 2686 . doi: 10.1016/j.joule.2019.08.009 http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2019.08.009

BUDDHIRAJU S ， SANTHANAM P ， FAN S H . Thermodynamic limits of energy harvesting from outgoing thermal radiation ［J］. Proc. Natl. Acad. Sci. USA ， 2018 ， 115 （ 16 ）： E3609 - E3615 . doi: 10.1073/pnas.1717595115 http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1717595115

LI W ， FAN S H . Nanophotonic control of thermal radiation for energy applications ［invited］［J］. Opt. Express ， 2018 ， 26 （ 12 ）： 15995 - 16021 . doi: 10.1364/oe.26.015995 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.015995

GREFFET J J ， BOUCHON P ， BRUCOLI G ， et al . Light emission by nonequilibrium bodies： local Kirchhoff law ［J］. Phys. Rev. X ， 2018 ， 8 （ 2 ）： 021008 . doi: 10.1103/physrevx.8.021008 http://dx.doi.org/10.1103/physrevx.8.021008

WURFEL P . The chemical potential of radiation ［J］. J. Phys. C Solid State Phys. ， 1982 ， 15 （ 18 ）： 3967 - 3985 . doi: 10.1088/0022-3719/15/18/012 http://dx.doi.org/10.1088/0022-3719/15/18/012

OKSANEN J ， PRUNNILA M . Thermal management in quantum-dot LEDs through optical thermodynamics ［J］. Joule ， 2023 ， 7 （ 10 ）： 2206 - 2208 . doi: 10.1016/j.joule.2023.09.016 http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.016

XIAO Y Z ， SHELDON M ， KATS M A . Super-planckian emission cannot really be ‘thermal’ ［J］. Nat. Photonics ， 2022 ， 16 （ 6 ）： 397 - 401 . doi: 10.1038/s41566-022-01005-y http://dx.doi.org/10.1038/s41566-022-01005-y

SADI T ， RADEVICI I ， OKSANEN J . Thermophotonic cooling with light-emitting diodes ［J］. Nat. Photonics ， 2020 ， 14 （ 4 ）： 205 - 214 . doi: 10.1038/s41566-020-0600-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-020-0600-6

GITEAU M ， PICARDI M F ， PAPADAKIS G T . Thermodynamic performance bounds for radiative heat engines ［J］. Phys. Rev. Appl. ， 2023 ， 20 （ 6 ）： L061003 . doi: 10.1103/physrevapplied.20.l061003 http://dx.doi.org/10.1103/physrevapplied.20.l061003

SANTHANAM P ， GRAY JR D J ， RAM R J . Thermoelectrically pumped light-emitting diodes operating above unity efficiency ［J］. Phys. Rev. Lett. ， 2012 ， 108 （ 9 ）： 097403 . doi: 10.1103/physrevlett.108.097403 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.108.097403

PARK Y ， FAN S H . Multijunction electroluminescent cooling ［J］. PRX Energy ， 2024 ， 3 （ 3 ）： 033002 . doi: 10.1103/prxenergy.3.033002 http://dx.doi.org/10.1103/prxenergy.3.033002

SANTHANAM P ， FAN S H . Thermal-to-electrical energy conversion by diodes under negative illumination ［J］. Phys. Rev. B ， 2016 ， 93 （ 16 ）： 161410 R）. doi: 10.1103/physrevb.93.161410 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.93.161410

ONO M ， SANTHANAM P ， LI W ， et al . Experimental demonstration of energy harvesting from the sky using the negative illumination effect of a semiconductor photodiode ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2019 ， 114 （ 16 ）： 161102 . doi: 10.1063/1.5089783 http://dx.doi.org/10.1063/1.5089783

SANTHANAM P ， HUANG D N ， RAM R J ， et al . Room temperature thermo-electric pumping in mid-infrared light-emitting diodes ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2013 ， 103 （ 18 ）： 183513 . doi: 10.1063/1.4828566 http://dx.doi.org/10.1063/1.4828566

XUE J ， LI Z ， RAM R J . Irreversible thermodynamic bound for the efficiency of light-emitting diodes ［J］. Phys. Rev. Appl. ， 2017 ， 8 （ 1 ）： 014017 . doi: 10.1103/physrevapplied.8.014017 http://dx.doi.org/10.1103/physrevapplied.8.014017

CHUA H T ， NG K C ， XUAN X C ， et al . Temperature-entropy formulation of thermoelectric thermodynamic cycles ［J］. Phys. Rev. E ， 2002 ， 65 （ 5 ）： 056111 . doi: 10.1103/physreve.65.056111 http://dx.doi.org/10.1103/physreve.65.056111

CHEN Z ， ZHU L X ， RAMAN A ， et al . Radiative cooling to deep sub-freezing temperatures through a 24-h day-night cycle ［J］. Nat. Commun. ， 2016 ， 7 ： 13729 . doi: 10.1038/ncomms13729 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms13729

ISHII S ， BOURGÈS C ， TANJAYA N K ， et al . Transparent thermoelectric device for simultaneously harvesting radiative cooling and solar heating ［J］. Mater. Today ， 2024 ， 75 ： 20 - 26 . doi: 10.1016/j.mattod.2024.03.012 http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2024.03.012

BHASKAR P ， ACHTSTEIN A W ， VERMEULEN M J W ， et al . Radiatively dominated charge carrier recombination in black phosphorus ［J］. J. Phys. Chem. C ， 2016 ， 120 （ 25 ）： 13836 - 13842 . doi: 10.1021/acs.jpcc.6b04741 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b04741

LIU M Q ， FENG S M ， HOU Y ， et al . High yield growth and doping of black phosphorus with tunable electronic properties ［J］. Mater. Today ， 2020 ， 36 ： 91 - 101 . doi: 10.1016/j.mattod.2019.12.027 http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2019.12.027

ZHANG S ， WU Z H ， LIU Z K ， et al . An emerging energy technology： self-uninterrupted electricity power harvesting from the sun and cold space ［J］. Adv. Energy Mater. ， 2023 ， 13 （ 19 ）： 2300260 . doi: 10.1002/aenm.202300260 http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202300260

ZHANG H D ， LV Y ， CHANG Y L ， et al . Ultra-small-size， highly efficient and stable CsPbBr 3 quantum dots synthesized by using a cesium-dodecyl benzene sulfonic acid solution ［J］. Chem. Eng. J. ， 2023 ， 473 ： 145213 . doi: 10.1016/j.cej.2023.145213 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2023.145213

SERGEEV A A ， PAVLOV D V ， KUCHMIZHAK A A ， et al . Tailoring spontaneous infrared emission of HgTe quantum dots with laser-printed plasmonic arrays ［J］. Light Sci. Appl. ， 2020 ， 9 ： 16 . doi: 10.1038/s41377-020-0247-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-0247-6

XU C C ， LIANG Z X ， SONG S W ， et al . Device-level optimization of n-type Mg 3 （Sb， Bi） 2 -based thermoelectric modules toward applications： a perspective ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2023 ， 33 （ 43 ）： 2304173 . doi: 10.1002/adfm.202304173 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202304173

浏览量

867

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据