辐射制冷技术是一种利用物体向寒冷外层空间辐射热量以实现被动降温的清洁、无源热管理方法。随着全球气候变暖和能源消耗压力的日益增加，特别是高性能辐射制冷材料（如涂层、涂料和薄膜）的突破性进展，该技术正迅速从实验室走向大规模商业应用。本报告将系统回顾辐射制冷的发展历程，剖析其基于光谱选择性的散热原理，并强调当下以建筑节能、光伏集成、电子器件和生物医学为代表的热门应用方向。
01 辐射制冷技术的历史溯源与发展里程碑
1.1 概念的起源：从古代实践到基础物理
辐射制冷的原理植根于基础物理学——普朗克定律描述了任何高于绝对零度的物体都会自发且连续地发射电磁辐射。这种基本的辐射热交换现象，早已被古代文明所利用。例如，在干燥、晴朗的夜晚，古代的印度和伊朗等地就利用夜间辐射冷却现象进行制冰。
虽然辐射制冷侧重于被动散热，但人类对辐射传热技术的利用历史悠久。在建筑领域，早期的辐射系统可以追溯到古代亚洲以及古希腊和古罗马的“地暖系统”。这些实践表明，人类对于利用辐射进行热管理的经验积累已达数千年。
1.2 早期发展与现代技术的转折点
辐射制冷在现代工程中的首次广泛应用体现在航天器热管理领域。航天器利用热管理涂层作为热屏蔽，将内部产生的多余热量有效地辐射到外层空间的极低温环境，这是对被动辐射散热原理的经典工程应用。
然而，这些早期应用主要局限于夜间或无太阳直射的环境。辐射制冷技术的真正“质变”发生在 2014 年。在这一年，光子超材料的科学突破使得日间辐射制冷（Passive Daytime Radiative Cooling）成为可能。此前，实现日间冷却的最大挑战是如何在高太阳辐射下同时实现极高的太阳光反射率和极高的热发射率。通过使用先进的光子结构研究人员实现了对热辐射的精确光谱控制。
PDRC的诞生将辐射制冷从传统的夜间应用和特定工业应用扩展到大规模的民用和环境应用领域。PDRC技术因其无需能源消耗、零污染的特点，已被提升为一项重要的战略性解决方案，旨在缓解由温室气体排放引起的局部和全球变暖问题。
辐射制冷的核心原理在于利用地球面向外太空（温度约为3K）的巨大温差，实现净光子热流从地球物体流向低温外太空，从而带走能量和熵，达到无源降温的目的。从热力学角度来看，这类似于从外太空获取“冷能”
2.1 核心机制：光谱选择性与大气透明窗口
实现高效辐射制冷的关键在于光谱选择性，即材料必须在特定波长范围内具有截然不同的光学性质。
2.2 大气透明窗口的利用
大气层在8–13μm的中红外波长范围内存在一个天然的“透明窗口” 。在这个窗口内，地球表面物体发射的热辐射可以穿透大气层，特别是水蒸气和二氧化碳的吸收带，直接射向外层空间。该8–13μm窗口与300K（约27℃，典型的环境温度）附近物体的黑体辐射光谱有显著重叠。这种重叠性保证了环境温度下的物体能够有效地利用该窗口进行热量辐射。
2.3 PDRC材料的光学要求
为了实现日间辐射制冷（PDRC）并达到亚环境温度冷却效果，材料必须满足以下严苛的光谱选择性要求：
高太阳反射率: 在0.3–2.5μm的太阳光谱范围内，材料需接近完美反射，以最小化吸收太阳辐射功率
高红外发射率: 在8–13μm的大气透明窗口内，材料必须具有极高发射率，以最大化向外太空的热辐射量
窗口外低发射率: 在8–13μm窗口外的中红外波段，发射率应极低，以减小对大气向下辐射功率的吸收
辐射制冷技术，特别是高性能日间辐射制冷（PDRC）材料的研发与应用，已成为全球热管理领域不可或缺的力量。通过回顾其从古代实践到光子学驱动的现代科学突破，可以清晰地看到，精确的光谱选择性是实现PDRC性能的核心。先进的涂层、涂料和薄膜材料通过复杂的微纳结构设计，正在克服传统制冷的能源限制。
当前，PDRC技术在提升光伏效率、降低建筑能耗以及创新的生物医学热管理等领域展现出强大的应用潜力。尤其是其在生物医学领域从宏观到微观的应用延展性，预示着辐射制冷技术未来在可穿戴设备和个性化热舒适管理方面拥有巨大的发展空间。
展望未来，PDRC的产业发展将集中在三个关键方向：一是继续推动材料的成本控制和大规模量产技术，以满足建筑和光伏行业的巨大需求；二是加速多功能化集成，将冷却功能与自适应温控、发电、抗菌等功能相结合；三是实现冷能的有效回收和利用，通过热电转换和反向光伏等技术，将辐射制冷从单纯的节能手段升级为能源产出工具，从而推动热管理行业的整体进步。
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