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有机热电：从材料到器件

已有 5163 次阅读 2020-10-13 08:18 |系统分类:科研笔记

科技的发展给人们带来无限遐想的空间。也许你会想象，体温能否用来为手机充电；或许你会憧憬，篝火是否能成为野营的电力之源……当然，也可能你不曾思考这些问题，但科学家正在通过发展有机热电材料获得各种触手可及的绿色能源，实现这些奇思妙想。

图 1 可用体温供电的热电器件（左图，来自www.nextbigfuture.com）和篝火式热电发电炉（右图，来自www.bioliteenergy.com）

现代社会的能量利用效率总体不到50%，大量能量以废热形式散失；另一方面，自然界中的光热、工业废热以及人体热等热能可作为未来社会规模庞大的绿色能量来源。热电材料可以实现热能与电能的直接转换，为上述热能的利用提供简单有效的方式。有机热电材料具有质轻、柔韧性好和本征热导低等特点，在低温微温差发电与制冷等方面具有独特优势，有望与传统无机热电材料互补，成为柔性电子系统的重要能源基础之一。

图2 热电转换示意图（上图：热电发电；下图：热电制冷，图片来自https://msu.edu/~dodat）

有机热电并不是全新的研究方向，但直到最近几年才开始得到广泛关注。目前，有机热电材料的分子种类不断扩充、掺杂方法持续拓展、热电转化机制逐渐明晰、器件性能快速攀升，直接推动有机热电成为有机光电子学的重要交叉前沿方向。尽管如此，有机热电总体处于发展初期，在分子理性设计策略、精准掺杂调控、基本工作模型和器件功能拓展的方方面面都面临挑战，仍需化学、材料、物理等方面交叉研究。

作为快速发展的新兴研究方向，有机热电缺乏聚焦该方向的专著。《有机热电：从材料到器件》的编著者自上世纪80年代就开始了相关研究，特别在近十余年围绕有机热电材料的分子设计、化学合成、掺杂调控和器件应用等方面开展了系统的研究工作，取得了具有重要影响的研究成果。本书结合编著者的研究专长和研究成果，系统梳理了有机热电材料的基础知识、主要理论、研究进展、创新机遇和挑战，期望能为科研人员和学生提供知识参考，推动领域的进一步发展。本书共8章，主要内容如下：

第1章，绪论。本章概述了有机热电材料的发展历史与现状，阐述了热电材料与器件的基本性能参数，并从材料、理论和器件的多个方面分析了相关领域的关键科学问题。

第2章，有机材料的热电转换过程与机制。本章结合有机体系电荷输运理论和无机体系热电转换过程展开论述，探讨有机材料热电转换的基本过程与机制，总结有机热电掺杂的相关策略。

第3~5章，p型、n型以及复合与杂化有机热电材料。这些章节总结了p型、n型和复合/杂化的有机热电材料发展现状，介绍提升性能、稳定性和加工性等基本策略，概述材料的设计理念。

第6章，有机离子热电材料与器件。本章重点从离子热扩散现象入手，介绍无氧化还原特性的有机离子热电材料与器件，阐释了离子热电材料与传统的电子热电材料的异同点。

第7章，有机热电器件的构建与功能化。本章主要介绍有机热电器件的基本结构、功能应用方向、关键集成技术和单分子热电器件等，为读者提供有机热电器件的基础知识和构建方法。

第8章，有机热电材料的性能测试方法。本章将从测试原理、方法和误差分析等方面来介绍目前有机材料和器件热电参数测试的主要方法。

《有机热电：从材料到器件》一书由中国科学院化学研究所朱道本院士主持撰写，共同撰写的有中国科学院化学研究所狄重安研究员、孙祎萌博士、邹业博士，中国科学院大学张凤娇博士和天津大学的焦飞博士。本书相关研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院等的资助。本书根据该领域的特点和发展现状，结合相关研究积累及对原始文献的解读，系统介绍有机热电材料与器件，对化学、材料、能源和信息等领域的科技工作者具有较高的参考价值。

作者简介

朱道本中国科学院院士

1942年生于上海市。1965年与1968年先后本科和研究生毕业于华东化工学院，之后到中国科学院化学研究所工作至今。曾任中国科学院化学研究所所长、中国化学会理事长、国家自然科学基金会副主任，现任中国科学院化学学部主任。长期潜心从事有机固体的研究，倡导和推动了分子电子学等多个领域的迅速发展，在有机导体、有机超导体、有机半导体、有机热电材料和器件方面取得了一大批引领性创新成果。1997年当选中国科学院院士，2009年当选为第三世界科学院（现发展中国家科学院）院士。曾5次获得国家自然科学二等奖，此外还曾获中国石油化工股份有限公司化学贡献奖（2008年）、陈嘉庚化学科学奖（2012年）和中国科学院杰出成就奖（2018年）。

《有机热电：从材料到器件》属于“十三五”国家重点出版物出版规划项目“光电子科学与技术前沿丛书”（丛书主编：姚建年，褚君浩）。丛书已出版书目：

本文摘编自《有机热电：从材料到器件》一书，标题为编辑所加。

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本书目录

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目录
丛书序 i
前言 iii
第1章绪论 001
1.1 有机热电材料的发展概况 001
1.2 热电能量转换的基本效应 004
1.2.1 塞贝克效应 004
1.2.2 珀尔帖效应 005
1.2.3 汤姆逊效应 006
1.2.4 热电相关的其他效应 007
1.3 热电的主要性能参数 008
1.3.1 基本参数 008
1.3.2 能量转换效率与热电优值 009
1.4 有机热电发展的关键问题 012
参考文献 014
第2章有机材料的热电转换过程与机制 017
2.1 电荷输运 017
2.1.1 电荷传输基本模型 019
2.1.2 电荷传输机制 023
2.2 热输运 028
2.2.1 电子热导率 029
2.2.2 声子热导率 029
2.3 热电性能参数的温度依赖关系 033
2.3.1 电荷传输的温度依赖关系 033
2.3.2 热传输的温度依赖关系 034
2.4 能量过滤效应及量子限域效应 035
2.5 掺杂机制 036
2.5.1 常规化学掺杂 037
2.5.2 电化学掺杂 045
2.5.3 光掺杂 047
2.5.4 电场诱导的界面掺杂 048
参考文献 053
第3章 p型有机热电材料 060
3.1 p 型有机热电材料概述 060
3.2 共轭聚合物 061
3.2.1 聚噻吩类材料 061
3.2.2 聚苯胺类材料 077
3.2.3 聚吡咯类材料 079
3.2.4 聚咔唑类材料 080
3.2.5 其他共轭聚合物材料 080
3.3 金属有机配合物 082
3.3.1 金属有机配位聚合物 082
3.3.2 金属有机小分子配合物 083
3.4 有机小分子 084
3.5 总结 086
参考文献 086
第4章 n 型有机热电材料 099
4.1 n 型有机热电材料概述 099
4.2 共轭聚合物 101
4.3 金属有机配合物 108
4.3.1 金属有机配位聚合物 108
4.3.2 金属有机小分子配合物 112
4.4 有机小分子 113
4.5 总结 118
参考文献 119
第5章复合与杂化有机热电材料 124
5.1 复合与杂化的基本策略与制备方法 124
5.1.1 基本策略 125
5.1.2 制备方法 126
5.2 基于聚噻吩的复合与杂化材料 127
5.2.1 基于P3HT 的复合与杂化材料 128
5.2.2 基于PEDOT 的复合与杂化材料 130
5.3 基于聚苯胺的复合与杂化材料 138
5.4 基于聚吡咯的复合与杂化材料 142
5.5 基于金属有机配合物的复合与杂化材料 143
5.6 基于碳材料的复合与杂化材料 145
5.6.1 碳材料的热电性能 145
5.6.2 基于碳材料的复合与杂化热电材料 152
5.7 其他有机复合与杂化材料 156
5.8 总结 157
参考文献 158
第6章有机离子热电材料与器件 170
6.1 离子热扩散现象 170
6.1.1 氧化还原活性电解质 171
6.1.2 非氧化还原活性电解质 173
6.2 有机离子热电材料与器件的性能参数 174
6.2.1 离子电导率 174
6.2.2 离子塞贝克系数 175
6.2.3 离子热导率 175
6.2.4 离子热电优值 176
6.2.5 离子热电超级电容器的能量转换效率与能量存储 176
6.3 有机离子热电材料的分类 179
6.3.1 有机盐溶液 182
6.3.2 聚合物电解质 182
6.3.3 离子/电子混合导体 183
6.3.4 离子液体 184
6.4 有机离子热电材料的应用进展 184
6.5 总结与展望 186
参考文献 187
第7章有机热电器件的构建与功能化 190
7.1 有机热电器件的结构与工作原理 190
7.2 热电器件性能评估方式 193
7.2.1 输出功率和能量转换效率 193
7.2.2 哈曼法测定热电优值 193
7.3 有机热电器件研究进展 195
7.3.1 热电发电器件 195
7.3.2 光热电器件 197
7.3.3 热电传感器件 198
7.3.4 珀尔帖制冷器件 200
7.4 单分子热电器件 201
7.4.1 单分子塞贝克效应 202
7.4.2 单分子珀尔帖效应 204
7.5 挑战与展望 205
参考文献 206
第8章有机热电材料的性能测试方法 210
8.1 电导率的测试 210
8.1.1 四探针法的基本原理 210
8.1.2 四探针法在有机样品电阻率测定中的应用 212
8.2 塞贝克系数的测试 215
8.2.1 温差创建 215
8.2.2 温差测量 216
8.2.3 塞贝克电压测试 219
8.2.4 误差分析 220
8.3 热导率的测试 221
8.3.1 块体材料热导率测试 222
8.3.2 薄膜材料热导率测试 224
8.4 载流子浓度和迁移率的测试 233
8.4.1 场效应晶体管法 233
8.4.2 霍尔效应法 233
8.5 态密度的测试 235
8.5.1 光电子能谱技术 236
8.5.2 扫描隧道谱技术 238
8.6 总结 239
参考文献 240
缩略语对照表 244
物理量符号表 246
索引 248