研究人员已成功开发出一种在环境温度下产生有机热电能的框架，而无需温度梯度。

研究人员创造了一种能够从环境温度中收集能量的新型有机热电装置。尽管热电装置已应用于各个领域，但其充分发挥潜能仍面临诸多挑战。研究团队利用有机材料的独特性质，开发了一种在室温下无需温度梯度即可产生热电功率的系统。相关研究成果已发表于《自然·通讯》期刊。

热电装置或热电发电机是一系列发电材料，只要存在温度梯度（即装置的一侧较热，另一侧较冷），这些材料就能将热量转化为电能。由于其具有从其他发电方式中回收废热的潜在用途，此类装置已成为研发领域的重点关注对象。

热电发电机最著名的用途可能是在太空探测器上，例如火星“好奇”号探测车或“旅行者”号探测器。这些机器由放射性同位素热电发电机供电，其中放射性同位素产生的热量为热电装置提供温度梯度，以为其仪器供电。然而，由于生产成本高、使用危险材料、能效低以及需要相对较高的温度等问题，热电装置在当今仍未得到充分利用。

全新的有机化学方法

“我们一直在研究如何制作一种热电装置，以从环境温度中收集能量。我们的实验室专注于有机化合物的效用和应用，而许多有机化合物具有独特的性质，它们之间可以很容易地传递能量，”九州大学有机光子与电子研究中心 (OPERA) 的教授吉田智也领导了这项研究，他解释道。“OLED 或有机太阳能电池就是有机化合物威力的一个很好的例子。”

关键是找到可以作为电荷转移界面的化合物，也就是说，这些化合物之间可以轻易地进行电子转移。在测试了各种材料后，研究团队发现了两种可行的化合物：酞菁铜（CuPc）和十六氟酞菁铜（F16CuPc）。

“为了提高这种新界面的热电性能，我们还加入了富勒烯和BCP，”足立继续说道。“众所周知，这些都是电子传输的良好促进剂。将这些化合物加在一起可以显著提高器件的功率。最终，我们得到了一个经过优化的器件，它包含一个180纳米的CuPc层、320纳米的F16CuPc层、20纳米的富勒烯层和20纳米的BCP层。”

优化后的器件具有384 mV的开路电压、1.1 μA/cm²的短路电流密度和94 nW/cm²的最大输出功率。此外，所有这些结果都是在不使用温度梯度的情况下在室温下获得的。

“热电装置的开发已取得相当大的进展，而我们新提出的有机装置必将推动其进一步发展，”足立总结道，“我们希望继续研究这一新装置，看看能否使用不同的材料对其进一步优化。如果我们扩大装置面积，甚至可能实现更高的电流密度，这对于有机材料而言是不寻常的。这正好表明有机材料具有惊人的潜力。”

参考文献：顺康道（Shun Kondo）、真山真（Mana Kameyama）、今冈健太郎（Kentaro Imaoka）、下井洋子（Yoko Shimoi）、法布里斯·马特维（Fabrice Mathevet）、藤原克（Takashi Fujihara）、后藤裕（Hiroshi Goto）、中野达己（Hajime Nakanotani）、矢代正幸（Masayuki Yahiro）和安达千夜（Chihaya Adachi）于2024年9月19日在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表的“利用电荷转移界面作为热能收集产生电荷的有机热电装置”一文。DOI：10.1038/s41467-024-52047-5

本研究由日本科学技术振兴机构、村田科技基金会和 GCE 研究所资助。