通过一种新策略提升低电导有机材料的热电性能

将体温转化为日常电力

想象一下，仅通过在皮肤上贴一块轻薄贴片就能为小型设备充电。此研究探讨了一种新型柔性材料，它能比迄今使用的大多数有机材料更高效地将人体热量转为电能。该工作指向可直接内置于衣物、健康传感器或智能眼镜中的电源方案，无需笨重电池。

为什么收集体热很难

热电材料在一侧比另一侧更热时会产生电压。要实用化，必须同时权衡三项属性：电导率、对温差的响应强度（即塞贝克系数）以及热量通过材料的泄漏程度。许多塑料和有机薄膜具有柔性且天然阻热的优点，但它们通常电导率较差。当研究者试图通过增加载流子来提升电导时，常常会丢失原本使它们有吸引力的高电压响应。

特殊的有机分子与微小氧化物簇

团队聚焦于由富勒烯（一种形似足球的碳分子，通常称为C60）和微小的氧化钼簇组成的薄膜。早期工作表明，这种组合可以赋予富勒烯薄膜很大的电压响应，同时略微提升其电导。在新研究中，研究者精细调控了掺入的氧化物量以及生长后对薄膜的加热处理。目标是在保持巨大电压响应的同时，将电导控制在一个抑制由电子携带的非必要热流的最佳区间。

用温和加热来调节性能

通过对复合薄膜进行缓慢加热，研究者发现电导和电压响应呈相反方向变化，但这种变化是有利的。在适度退火的过程中，电导下降了一个数量级以上，而电压响应却可增长五到七倍。关键在于氧化物簇如何改变化学态以及它们向富勒烯提供的空穴或电子数量。对薄膜结构、红外响应和逸出气体的详细测量表明，发生了温和的化学还原，并伴随二氧化碳的释放，但并未破坏薄膜或其柔性的晶粒结构。

在柔软薄膜中达到纪录级效率

在这些经过调节的薄膜中，某一种组成尤为突出。一种含少量氧化物的富勒烯薄膜在室温下达到了约1.1×10⁻³ 瓦/米/开尔文²的功率因子，尽管其电导仍然非常低。由于电子携带的热量几乎可以忽略，整体效率指标zT估算可达0.81。对有机热电材料而言，据作者所知，这是在室温下报道的最高值，并接近被认为对实际器件有用的水平。

这对可穿戴电源意味着什么

研究表明，与其一味追求更高的电导率，不如在低电导范围内保留巨大的电压响应来最大化性能更为明智。精心选择的金属氧化物纳米簇充当一种可调节的旋钮，在温和加热时设定电荷在有机薄膜中的传输方式。这一策略为柔软且高效的热电层提供了新途径，能够大面积印制并内置于舒适的可穿戴发电器中，仅依靠人体温度供能。

引用: Nakaya, M., Yamamoto, S., Ogawa, S. et al. Novel strategy for boosting thermoelectric performance of organic materials with low electrical conductivity. Sci Rep 16, 15154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44966-8

关键词: 热电材料, 有机电子学, 富勒烯, 可穿戴能量收集, 纳米复合材料