黑磷协同增强PEDOT:PSS薄膜光热电性能的双重作用机制研究

为解决有机热电材料PEDOT:PSS在近红外区光转换效率低和塞贝克系数不足的问题，研究人员通过引入黑磷纳米片（BPs）构建复合薄膜。该研究实现了光热转换效率提升（PFPTE达268.6 μW m-1 K-2）与热电性能协同优化（PFTE提升2倍），为开发高性能光热电材料提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，如何高效利用太阳能中未被光伏技术开发的近红外光（占太阳光谱51.3%）成为研究热点。传统热电（TE）材料虽能回收废热，但对辐射能量的利用仍处于探索阶段。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）作为明星有机热电材料，虽具有高导电性和低热导率优势，但其光热电（PTE）性能受限于15 μV K^-1的低塞贝克系数和有限的光热转换效率。

针对这一挑战，国内江西某高校的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。研究人员创造性地将黑磷纳米片（BPs）引入PEDOT:PSS体系，通过真空过滤法制备复合薄膜。关键技术包括：优化BPs质量比（15 wt%）、乙二醇（EG）溶剂后处理、紫外光电子能谱（UPS）能级分析等。

结果与讨论

1. 光热性能提升：BPs的1.33 eV可调带隙使复合薄膜在近红外区吸收增强，漫反射率降低，光热转换效率显著提高。

2. 热电性能优化：BPs与PEDOT:PSS界面形成的能量过滤效应选择性散射低能载流子，塞贝克系数提升至23.5 μV K^-1。

3. 协同效应验证：EG处理后复合薄膜的PF_PTE达268.6 μW m^-1 K^-2，是纯PEDOT:PSS的4倍，实现在照明（户外）与黑暗（室内）环境下的多场景能量收集。

结论与意义

该研究首次揭示BPs通过双重机制（光热增强+能量过滤）协同提升PEDOT:PSS的PTE性能。所构建的柔性器件可同时利用太阳辐射和人体废热，为可穿戴电子供能提供新思路。这种将二维材料能带工程与有机热电特性相结合的策略，为开发下一代高效能源转换材料开辟了道路。