Design and Optimization of Inorganic Multilayer Films for Transparent Radiative Cooling Coatings

Öz

This optimization study was conducted to develop transparent radiative cooling coatings exhibiting high reflectance across the solar spectrum and strong thermal emission through the mid-infrared atmospheric window. In radiative cooling applications, polymeric based materials (e.g., PDMS) are commonly preferred; however, challenges such as long-term durability and yellowing create a need for the development of stable and inorganic coatings. In this project, an inorganic multilayer thin-film design has been developed by conducting computational optimization study via Transfer Matrix Method and Tree-Structured Parzen Estimator. The 6-layer configuration demonstrates balanced performance with weighted reflectance of 0.63, emissivity of 0.44, and transmittance of 0.71 compared to 4,5,8,10 and 12-layer stacks. The findings reveal the potential of passive daytime radiative cooling coatings that use stable and inorganic materials for transparent radiative cooling applications.

Anahtar Kelimeler

• Radiative cooling
• Optimization
• Thin Film

Şeffaf Radyatif Soğutma Kaplamaları için İnorganik Çok Katmanlı Filmlerin Tasarımı ve Optimizasyonu

Öz

Bu optimizasyon çalışması, güneş spektrumu boyunca yüksek yansıtırlık ve orta-kızıl atmosferik pencere aralığında güçlü termal yayınım sergileyen şeffaf radyatif soğutma kaplamaları geliştirmek amacıyla yürütülmüştür. Radyatif soğutma uygulamalarında polimer bazlı malzemeler (örneğin PDMS) yaygın olarak tercih edilse de; uzun süreli dayanıklılık ve sararma gibi zorluklar, kararlı ve inorganik kaplamaların geliştirilmesi ihtiyacını doğurmaktadır. Bu projede, Transfer Matris Yöntemi (Transfer Matrix Method) ve Ağaç Yapılı Parzen Tahmincisi (Tree-Structured Parzen Estimator) kullanılarak yürütülen hesaplamalı optimizasyon çalışmasıyla inorganik çok katmanlı bir ince film tasarımı geliştirilmiştir. 6 katmanlı yapı; ağırlıklı yansıtıcılığı 0,63, emisivitesi 0,44 ve ışık geçirgenliği 0,71 olacak şekilde, analiz edilen 4,5,8,10,12 katmanlı diğer tasarımlar arasında en dengeli performansı ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, şeffaf radyatif soğutma uygulamaları için kararlı ve inorganik malzemeler kullanan pasif gündüz radyatif soğutma kaplamalarının potansiyelini ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Radyatif soğutma
• Optimizasyon
• İnce film

Kaynakça

1. Altomonte, S., Rutherford, P., & Wilson, R. (2014). Indoor environmental quality: Lighting and acoustics. Encyclopedia of Sustainable Technologies, Volume 2 http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-409548-9.10196-4
2. Daxini, R., & Wu, Y. (2024). Review of methods to account for the solar spectral influence on photovoltaic device performance. Energy, 286, 129461. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129461
3. Dong, K., & Wu, J. (2023). Radiative cooling, what’s next? Next Energy,1,100003. https://doi.org/10.1016/j.nxener.2023.100003
4. Fonash, S. J. (2010). Introduction. Solar cell device physics (2nd ed., pp. 1–8). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374774-7.00001-7
5. Granqvist, C. G. (1981). Radiative heating and cooling with spectrally selective surfaces. Applied Optics, 20(15), 2606–2615. https://doi.org/10.1364/AO.20.002606
6. Jin, Y., Jeong, Y., & Yu, K. (2023). Infrared-reflective transparent hyperbolic metamaterials for use in radiative cooling windows. Advanced Functional Materials, 33, 2207940. https://doi.org/10.1002/adfm.202207940
7. Li, L., Zhang, Q., Liu, G., Shi, R., Zhao, H., Huang, K., Zang, Y., Xu, Y., Li, C., Wu, L., & Zhang, Y. (2025). Advanced passive daytime radiative cooling: From material selection and structural design to application towards multifunctional integration. Advanced Composites and Hybrid Materials, 8, 97. https://doi.org/10.1007/s42114-024-01127-7
8. Luce, A., Mahdavi, A., Marquardt, F., & Wankerl, H. (2022). TMM-Fast, a transfer matrix computation package for multilayer thin-film optimization: Tutorial. Journal of the Optical Society of America A, 39(6), 1007–1013. https://doi.org/10.1364/JOSAA.450928

9. Raman, A. P., Abou Anoma, M., Zhu, L., Rephaeli, E., & Fan, S. (2014). Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature, 515, 540–544. https://doi.org/10.1038/nature13883
10. So, S., Yang, Y., Son, S., Lee, D., Chae, D., Lee, H., & Rho, J. (2022). Highly suppressed solar absorption in a daytime radiative cooler designed by genetic algorithm. Nanophotonics, 11(9), 2107–2115
11. Zhao, B., Hu, M., Ao, X., Chen, N., & Pei, G. (2019). Radiative cooling: A review of fundamentals, materials, applications, and prospects. Applied Energy, 236, 489–513. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.12.018