利用热能产生电力的热电转换元件通常依赖于赛贝克效应，该效应需要一定程度的温度差，导致此类元件的应用范围受到限制。九州大学、九州尖端科学技术研究所（ISIT）、法国国家科学研究中心（CNRS）、GCE研究所（GCEI）的研究团队此次成功开发出了一种基于有机电荷转移（CT）络合物的新型发电原理的有机热电元件。它可以从室温程度的热能中提取电能，而且理论上可以扩大面积应用，因此有望实现一种全新的发电系统。安达千波矢教授表示：“目前该元件已能输出约0.4伏特的电压，电流虽不到每平方厘米微安级，如果扩大面积，就有望提取更多电力。通过灵活性和大面积化，未来或许能开发出像发电壁纸或发电服装等有趣的设备。虽然目前还有许多机制尚不清楚，但我们希望在进一步理解机制的基础上，继续提升性能。”该研究成果已发表在期刊《Nature Communications》上。
图1 新型有机热电元件的工作原理（能级和电荷移动情况）。（供图：九州大学）
目前，世界各地对有效利用可再生能源及未利用能源的需求日益增长。尽管利用废热的热电转换装置已经实用化，但因其存在使用毒性较高材料和昂贵的贵金属，受限于形成温度梯度所需的安装空间等诸多问题，应用范围仍十分有限。
另一方面，有机电子学在开发多种功能元件方面取得了进展，包括有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OSC）、有机晶体管（OFET）等，最近还开发了长寿命有机蓄光材料（LPL）。在这些元件中，分子内和分子间供体与受体之间的电荷转移（CT），对界面上的电荷注入、传输、激子解离、电荷复合激子、有机薄膜中的取向极化特性等元件功能的实现起到了关键作用。
九州大学尖端有机光电子学研究中心的安达千波矢教授、中野谷一副教授、研究生龟山真奈、研究生近藤骏（现任职于住友化学株式会社）、研究生今冈健太郎（现为哥廷根大学博士生）、九州尖端科学技术研究所（ISIT）的八寻正幸组长、法国国立科学研究中心（CNRS）的Fabrice Mathevet研究部长、GCE研究所（GCEI）的藤原隆主任研究员，通过使这一有机CT界面上生成的CT激子中的供体HOMO（最高占据分子轨道）能级和受体LUMO（最低未占分子轨道）能级相接近，成功将日常生活环境中室温下存在的几十毫电子伏特的微量热能提取为电能。
安达教授表示：“这一构思的基础来源于热活化延迟荧光（TADF）的概念（TADF由安达教授开发，已在部分OLED显示器上实现实际应用）。就TADF而言，通过将单重态与三重态激子的能量差控制在室温水平，就能实现激子的上转换（Upconversion），所以我设想，如果使供体HOMO和受体LUMO的能级也使其接近的话，该界面上或许会发生电荷分离。我认为，在有机太阳能电池中，光子的能量在pn界面处引起了电荷分离，同样，如果声子（热等）的能量相当于pn界面的HOMO-LUMO能差，就有可能产生电荷分离。我坚信这一设想肯定够成功。”
最初的元件是CuPc与F16CuPc的双层结构，但并未产生十分明显的电动势。安达教授说：“我们并未就此放弃，而是将C60、BCP叠加到F16CuPc上，并调整了各层薄膜的厚度，随后装置性能不断提高，那一刻，我觉得这种方法是可行的。这些实验都是学生们认真完成的，我对此深表感谢。”通过构建叠层结构，器件的热电特性得到了大幅提升。
优化后的元件实现了384毫伏的开路电压、1.1微安/平方厘米的短路电流密度、94纳瓦/平方厘米的最大输出功率。从热电特性的温度特性来看，其活化能约为20～60毫电子伏特，确认室温水平的低能量热能可用于发电。此外，使用开尔文探针进行的表面电位分析证实，CuPc/F16CuPc界面处有电荷产生，且通过利用相邻层之间的费米能级对齐，电子和空穴分别扩散并移动到相对的电极。
这项研究结果证明，新型有机热电转换元件具备在无温度梯度的室温环境下提取微小规模热能的新发电功能。
研究团队表示，今后将基于对发电机制的深入理解，优化各层材料的参数，开发新分子，并优化元件结构，以全面提升热电性能。同时，他们还计划利用有机材料的特性，探索溶液涂布法等成本低廉的方式来实现大面积。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Organic Thermoelectric Device Utilizing Charge Transfer Interface as the Charge Generation by Harvesting Thermal Energy
DOI：10.1038/s41467-024-52047-5
