用高效的有机热电材料将热量转化为电能
热电材料可以将温差转化为电能。有机热电材料可用于为可穿戴电子设备或传感器供电;然而，功率输出仍然很低。由格罗宁根大学半导体物理学教授 Jan Anton Koster 领导的国际团队现已生产出一种具有卓越性能的 n 型有机半导体，使这些应用更近了一步。他们的结果于 11 月 10 日发表在《自然通讯》杂志上。
热电发电机是我们太阳系外唯一的人造电源：1977 年发射并现在在星际空间中的两个航海者太空探测器都由转换热量的发电机供电(在这种情况下，由放射源提供) ) 变成电流。“这种发电机的伟大之处在于它们是固态设备，没有任何移动部件，”科斯特解释说。
电导率
然而，航海者号发电机中使用的无机热电材料不适合更普通的应用。这些无机材料含有有毒或非常稀有的元素。此外，它们通常又硬又脆。“这就是为什么对有机热电材料的兴趣正在增加，”科斯特说。然而，这些材料有其自身的问题。最佳的热电材料是声子玻璃，它具有非常低的热导率(因此可以保持温差)以及具有高电导率的电子晶体(以传输产生的电流)。Koster：“有机半导体的问题在于它们通常具有低导电性。”
尽管如此，格罗宁根大学在开发有机光伏材料方面十多年的经验带领团队走上了一条通往更好的有机热电材料的道路。他们将注意力集中在带有负电荷的 n 型半导体上。对于热电发电机，需要 n 型和 p 型(携带正电荷)半导体，尽管有机 p 型半导体的效率已经相当不错。
巴基球
该团队使用富勒烯(巴基球，由 60 个碳原子组成)，并在其中添加了双三甘醇型侧链。为了增加导电性，添加了 n 掺杂剂。“富勒烯的热导率已经很低，但添加侧链使其更低，因此这种材料是一种非常好的声子玻璃，”科斯特说。“此外，这些链还包含掺杂剂，并在退火过程中形成非常有序的结构。”后者使材料成为电晶体，其导电性类似于纯富勒烯。
“我们现在已经制造出第一个有机声子玻璃电晶体，”科斯特说。“但对我来说最令人兴奋的部分是它的热电特性。”这些由 ZT 值表示。T 指的是材料工作的温度，而 Z 包含其他材料特性。新材料将同类中的最高 ZT 值从 0.2 提高到 0.3 以上，这是一个相当大的改进。
传感器
“ZT 值为 1 被认为是商业上可行的效率，但我们相信我们的材料已经可以用于需要低输出的应用，”科斯特说。例如，要为传感器供电，需要几微瓦的功率，而这些功率可以由几平方厘米的新材料产生。“我们在米兰的合作者已经在使用具有单侧链的富勒烯制造热电发电机，其 ZT 值低于我们现在的值。”
Koster 表示，富勒烯、侧链和掺杂剂都很容易获得，而且新材料的生产规模可能会扩大，不会有太多问题。他对这项研究的结果非常满意。'这篇论文有来自九个不同研究小组的二十位作者。我们综合运用了合成有机化学、有机半导体、分子动力学、热导率和 X 射线结构研究的知识来获得这一结果。我们已经对如何进一步提高效率有了一些想法。
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