利用熱能產生電力的焦熱電轉換元件通常依賴於賽貝克效應，該效應需要一定程度的溫度差，導致此類元件的應用範圍受到侷限。九州大學、九州尖端科學技術研究所（ISIT）、法國國家科學研究中心（CNRS）、GCE研究所（GCEI）的研究團隊此次成功開發出了一種基於有機電荷轉移（CT）錯合物的新型發電原理的有機焦熱電元件。它可以從室溫程度的熱能中提取電能，而且理論上可以擴大面積應用，因此有望實施一種全新的發電系統。安達千波矢教授表示：「目前該元件已能輸出約0.4伏特的電壓，電流雖不到每平方釐米微安級，如果擴大面積，就有望提取更多電力。透過靈活性和大面積化，未來或許能開發出像發電壁紙或發電服裝等有趣的設備。雖然目前還有許多機制尚不清楚，但我們希望在進一步理解機制的基礎上，繼續操作提升性能。」該研究成果已發表在期刊《Nature Communications》上。
圖1 新型有機焦熱電元件的工作原理（能階和電荷行程情況）。（供圖：九州大學）
目前，世界各地對有效利用再生能源及未利用能源的需求日益增長。儘管利用廢熱的焦熱電轉換裝置已經實用化，但因其存在使用毒性較高材料和昂貴的貴金屬，受限於形成溫度梯度所需的安裝空間等諸多問題，應用範圍仍十分有限。
另一方面，有機電子學在開發多種功能元件方面取得了進展，包括有機發光二極體（OLED）、有機太陽能電池（OSC）、有機電晶體（OFET）等，最近還開發了長壽命有機蓄光材料（LPL）。在這些元件中，分子内和分子間供體與接受者之間的電荷轉移（CT），對界面上的電荷注入、傳輸、激子解離、電荷復合激子、有機薄膜中的取向極化特性等元件功能的實施起到了關鍵作用。
九州大學尖端有機光電子學研究中心的安達千波矢教授、中野谷一副教授、研究生龜山真奈、研究生近藤駿（現任職於住友化學株式會社）、研究生今岡健太郎（現爲哥廷根大學博士生）、九州尖端科學技術研究所（ISIT）的八尋正幸組長、法國國立科學研究中心（CNRS）的Fabrice Mathevet研究部長、GCE研究所（GCEI）的藤原隆主任研究員，透過使這一有機CT界面上生成的CT激子中的供體HOMO（最高佔據分子軌域）能階和接受者LUMO（最低未佔用分子軌域）能階相接近，成功將日常生活環境中室溫下存在的幾十毫電子伏特的微量熱能提取爲電能。
安達教授表示：「這一構思的基礎來源於熱活化延遲螢光（TADF）的概念（TADF由安達教授開發，已在部分OLED顯示裝置上實施實際應用）。就TADF而言，透過將單重態與三重態激子的能量差控制在室溫水平，就能實施激子的上轉換（Upconversion），所以我設想，如果使供體HOMO和接受者LUMO的能階也使其接近的話，該界面上或許會發生電荷分離。我認爲，在有機太陽能電池中，光量子的能量在pn界面處引起了電荷分離，同樣，如果聲子（熱等）的能量相當於pn界面的HOMO-LUMO能差，就有可能產生電荷分離。我堅信這一設想肯定夠成功。」
最初的元件是CuPc與F16CuPc的雙層結構，但並未產生十分明顯的電動勢。安達教授說：「我們並未就此放棄，而是將C60、BCP疊加到F16CuPc上，並調整了各層薄膜的厚度，隨後裝置性能不斷提高，那一刻，我覺得這種方法是可行的。這些實驗都是學生們認真完成的，我對此深表感謝。」透過構建疊層結構，器件的焦熱電特性得到了大幅提升。
最適化後的元件實施了384毫伏的開路電壓、1.1微安/平方釐米的短路電流密度、94納瓦/平方釐米的最大輸出功率。從焦熱電特性的溫度特性來看，其活化能約爲20～60毫電子伏特，應答室溫水平的低能量熱能可用於發電。此外，使用克耳文探針進行的表面電位分析證實，CuPc/F16CuPc界面處有電荷產生，且透過利用相鄰層之間的費米能階對齊，電子和電洞分別擴散並行程到相對的電極。
這項研究結果證明，新型有機焦熱電轉換元件具備在無溫度梯度的室溫環境下提取微小規模熱能的新發電功能。
研究團隊表示，今後將基於對發電機制的深入理解，最適化各層材料的參數，開發新分子，並最適化元件結構，以全面提升焦熱電性能。同時，他們還計劃利用有機材料的特性，探索溶液塗布法等成本低廉的方式來實施大面積。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Organic Thermoelectric Device Utilizing Charge Transfer Interface as the Charge Generation by Harvesting Thermal Energy
DOI：10.1038/s41467-024-52047-5
