NSR | 有机自由基光热共晶：助力太阳能热电增强与信息转换

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中国科学杂志社

2025-04-21 14:49发布于北京

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太阳能热电发电机通过光热转换直接发电，在可穿戴电子等领域展现出重要潜力。为提升性能，研究聚焦于高性能热电材料开发、器件结构优化及高效光热材料设计。光热材料通过选择性吸光与热局域化增强热电器件两端的温差。然而，在始终保持温差稳定的条件下同时规模化制造仍是挑战。
有机电荷转移共晶由电子给体与受体自组装而成，其光电性质可通过分子设计与堆积调控显著优化。CT作用诱导的电子离域可形成窄带隙的共晶，拓展吸收至近红外区并增强非辐射衰变，从而提升光热转化效率。开壳层自由基因半填充π轨道特性，可作为新型受体与给体组分形成CT体系，促进光吸收与激子非辐射弛豫。然而，目前基于自由基的CT共晶体制备与性能调控研究仍处于起步阶段，其分子设计、稳定性及规模化合成亟待突破。

针对这一问题，本文提出一种基于开壳自由基电子受体的有机电荷转移（CT）共晶低维结构材料，所制备的自由基共晶具有67.2%的高光热转换效率。并进一步与热电模块结合，为热电器件提供了理想温差实现高效输出，并成功应用于远距离的信息转换，为太阳能热电收集与信息转换提供了简便高效的新策略。相关研究发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），南京大学博士生卓胜为论文第一作者，南昌大学陈伟凡教授、苏州大学卓明鹏副教授和南京大学郑庆东教授为共同通讯作者。


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图1. 有机共晶的设计与合成
研究团队选用晕苯（COR）作为电子给体、开壳自由基2,6-二溴萘-1,4,5,8-四羧酸二酐（Br2NDA）作为电子受体，通过溶液自组装的方式成功构建了有机自由基共晶。制备的有机自由基共晶为一维棒状结构，具有高度的结晶度。

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图2. 有机自由基共晶电荷转移性质表征
Br2NDA经电子俘获形成开壳层自由基态Br2NDA·-，与COR通过强CT作用共结晶，其吸收光谱扩展至近红外（350-1100 nm），PLQY值趋近零表明非辐射跃迁主导。FTIR、NMR及ESR证实了电子云离域与基态CT过程，HOMO/LUMO重组导致窄带隙（~2.06 eV）及吸收红移。

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图3. 有机自由基共晶光热性能表征
有机自由基共晶光热性能优异，在808 nm激光灯（0.367 W cm-2）照射下，其光热转换温度最高可达86℃，并实现67.2%的光热转换效率。

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图4. 基于有机自由基共晶的光热电器件性能极其信息转换应用
进一步，将有机自由基共晶与热电模块集成（CBC-TEG），显著提升了其热电性能。与纯热电模块相比，2倍太阳辐照下CBC-TEG的输出电压达209 mV（提升375%），且循环稳定性优异。该器件兼具近红外光响应特性，可通过光强调控实现非接触式信息编码（如莫尔斯电码），为可穿戴电子与远程通信提供了高效、稳定的光热电转换平台。