近日，汕头大学化学化工学院李明德教授团队在“有机共晶光热电转换器件”领域取得进展，相关研究成果以“Boosting Photo-Thermo-Electric Conversion Via Donor-Acceptor Organic Cocrystal Strategy”为题发表在化学材料领域一区top期刊“ACS Energy Letters” (影响因子22.0)上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.3c01758

图1. 光-热-电转换器件示意图

将大量可用的太阳能转化为热能的太阳能光热转换技术由于其转换效率高，结构简单以及醒目的储能优势，在过去几十年中得到了广泛的研究。其中，利用光热转换和塞贝克效应的光-热-电转换技术，能够通过光热转换材料将太阳光能转化为热能，然后再通过热电发电机将热能转化为电能（图1）。近年来，为了利用能量密度较低太阳能，人们开发了许多光-热-电转换系统，主要的光热材料有金属、碳材料、有机小分子、聚合物和生物质材料。金属的高成本和碳基光热材料的低回收率限制了它们的实际应用。与常见的金属基和碳基无机材料相比，有机小分子光热转换化合物具有柔韧性、结构可调节性和多样性等独特优势。然而，它们的应用受到几个明显缺陷的限制，如吸收范围窄、光热转换效率低，这严重阻碍了其商业化，更重要的是基于有机单分子的光-热-电转换系统的性能并不令人满意。为了最大限度地将太阳光能转化为热能，设计具有广谱吸收和高光热转换效率的光热材料至关重要，将这种材料与太阳能热电发电机结合可实现更高的光-热-电转换效率。

由于有机光热共晶材料易于制备、价格低廉、能大规模生产制造和具有高效的光热转化效率，其吸收光谱能覆盖太阳光波长全谱范围（图2a）。最近，李明德教授团队通过溶剂挥发法快速大批量制备供体-受体有机小分子共晶材料（DTC、TBC和TQC），其中TQC具有全太阳光谱吸收的特性（图2b）。在808 nm激光照射下对TBC与TQC的光热转换效率（η）进行了测试（图2c，d），η分别为76.7%与79.4%，论文揭示了分子间作用力对DTC、TBC与TQC的光热转换效率的影响。该论文创新地将有机共晶DTC、TBC和TQC和热电发电机结合制备了光-热-电转换器件，研究了不同热电装置的光-热-电转换开路电压。TQC@TEC1-12706 在1个太阳光下实现了122.8mV的开路电压，令人兴奋的是，TQC@TEC1-12701在1个太阳光下开路电压高达427 mV，在5个太阳光下开路电压达到了1.921 V（图2e），产生的电能可高速驱动小型风扇。

图2. (a) 共晶粉末及其相应的供体和受体的照片；(b) 三种共晶的吸收光谱; (c) 热电装置的发电设计；(d) 808 nm激光激发的DTC、TBC和TQC在808 nm激发下的光热转换性能测试；(e) 不同太阳光密度下TQC的开路电压；不同太阳光辐照下热电器件的最大开路电压；(f) 文献报道的光热材料与热电器件在 1 个太阳光下的输出功率和开路电压的比较。

目前各种光热转换材料的光-热-电转换研究的实验参数非常不一致，这导致各种器件测量的电压值缺乏统一标准进行对比。因此，该工作总结了TQC共晶材料与不同热电发电片集成器件的开路电压和输出功率，便于研究人员有更好的标准进行对比。与传统其他光热转换材料相比，李明德教授团队研制的光-热-电器件（有机共晶作为光热转换材料），可以实现最高的输出功率和开路电压（图2f）。本工作首次制备了有机共晶光热转换材料的光-热-电转换器件，为利用太阳能的高效光-热-电转换器件的设计提供了一种新策略。

本工作主要由2021级硕士研究生黄其彬同学完成，陈顺利副教授、党丽教授和李明德教授为共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金、广东省教育厅创新团队项目、李嘉诚交叉学科研究基金、广东高校省级重点平台粤港澳联合实验室和广东省自然科学基金的资助。

课题组合照，头上有笑脸为第一作者黄其彬同学

终审：鲁福身    复审：倪昊    初审：李明德