Design of a dynamically switchable metamaterial solar heating and daytime radiative cooling device based on reversible metal electrodeposition

材料科学 辐射冷却 光电子学 热光电伏打 吸收率 太阳能 光伏系统 光学 超材料吸收剂 超材料 电气工程 物理 可调谐超材料 反射率 工程类 热力学 共发射极
作者
Tao Xie,Shenghao Jin,Changying Zhao,Boxiang Wang
出处
期刊:Journal of Optics [IOP Publishing]
卷期号:26 (9): 095104-095104 被引量:3
标识
DOI:10.1088/2040-8986/ad584e
摘要

Abstract The combination of daytime radiative cooling and solar heating can regulate the temperature of buildings in all seasons, which is vital to achieving energy savings. However, achieving a dynamic and efficient switch between radiative cooling and solar heating states is still challenging. The reversible metal electrodeposition is a promising electrochromic (EC) technology that can dynamically manipulate the visible and infrared spectrum by depositing a nanoscale metal layer. By combining it with a delicate nanostructure design, reconfigurable daytime radiative cooling and solar heating states can be achieved. In this work, a metamaterial EC device capable of efficiently switching between high solar reflectance (91.73%) and high solar absorptance (95.41%) via reversible silver layer electrodeposition has been developed. This device consists of a top layer, which is a visible transparent electrode of indium tin oxide covered with an ultrathin platinum film, an electrolyte in the middle, and a metamaterial absorber based on a metal/dielectric multilayered structure at the bottom. Afterward, we analyze the spectrum of each part of the device and carry out a parametric study on the practical performance with different ambient temperatures and convective heat transfer coefficients. The average solar reflectance of the device in the radiative cooling state is 93.41% within the range of 0.3–2.5 μ m. In the solar heating mode, the average solar absorptance of the device reaches 95.46%. Numerical simulations show that the device in the cooling mode achieves a temperature drop of 5 °C–9.8 °C and an average cooling power of 140.8 W m − 2 . The device in heating mode achieves a maximum temperature rise of 45 °C and a maximum heating power of 700 W m − 2 . This work provides a feasible design for solar heating and daytime radiative cooling switching devices, which is promising in applications like energy-saving buildings, wearable devices, electric vehicles and other outdoors facilities.
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