仿生设计让有机热电材料更轻便、可量产

本文报道了一种面向可穿戴应用的全溶液法制备有机热电发电机（pT-TEG，即‘伪横向热电器件’）。传统柔性热电薄膜面临一个根本难题：当贴附在皮肤等平面热源上时，因厚度极薄（仅几微米），难以在薄膜内部形成有效的纵向温度梯度（即从热源到空气方向的温差），导致无法利用塞贝克效应发电。以往尝试（如堆叠、折纸、3D打印等）虽能产生纵向温差，却牺牲了薄膜原有的二维轻薄、柔顺优势。本文另辟蹊径，不依赖特殊磁性或自旋材料，而是通过结构设计‘模仿’横向热电效应——即让热量流动方向与电压产生方向相互垂直。具体方法是：构建一种‘双导热系数（dual-κ）弹性基底’，由相邻的高导热区（掺铜PDMS）和低导热区（纯PDMS）组成。当该基底接触热源时，热量在高导热区更易向上散失，表面温度更高；在低导热区则更难散失，表面温度更低，从而在基底表面自然形成横向温度梯度（ΔT∥）。在此梯度驱动下，覆盖其上的单壁碳纳米管（SWCNT）热电层便能沿平面方向产生电压。整个器件（基底、热电层、电极）均采用喷雾涂布、丝网印刷等溶液法工艺制备，完全柔性、无毒、成本低。研究者还设计了‘棋盘式’模块化结构，可灵活组合多个p型与n型热电臂，实现电压叠加。实验证明：该器件在60°C热源下可稳定输出约5毫伏电压；贴于人体皮肤（35.8°C）时产生1.3毫伏，放在热水杯上（70°C）达4.6毫伏；经500次弯曲（弯折半径3毫米）后性能几乎不变。相比传统方案，它无需三维形变，真正保持了二维薄膜的轻薄、贴合、可穿戴特性，且兼容多种有机热电材料（如PEDOT:PSS），为发展实用化柔性能源采集技术提供了普适性强、易于放大的新平台。