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近日，智能机器人与先进制造创新学院左光正课题组撰写的题为《有机热电材料中塞贝克系数的普适软上限》（“A Universal Soft Upper Limit to the Seebeck Coefficient in Organic Thermoelectrics”）的学术论文在Cell旗下能源领域期刊《焦耳》（Joule）上发表。该工作第一作者为硕士研究生李泽龙与德国海德堡大学Scheunemann博士，通讯作者为左光正青年研究员和海德堡大学的Kemerink教授。本研究得到了上海市科学技术委员会基金和欧盟Marie Sklodowska-Curie（HORATES）项目的支持。
论文简介
有机热电材料能将热能（温差）直接转换成电能，同时也可实现电能向温差的反向转换（即热电制冷）。凭借其柔性、低热导率、低成本以及高度可调性等优势，在可穿戴设备、传感器、柔性电子器件和能源回收等领域展现出广阔的应用前景，因而已成为新能源领域的重要研究热点。然而，尽管该领域经过十余年的发展，缺乏明确且可迁移的设计原则依是制约性能进一步提升的关键瓶颈。
本研究揭示在有机热电材料中，电导率（）与塞贝克系数（）之间存在一条普适关系，这一趋势持续至功率因子（）达到最大值为止。更为重要的是，团队发现在最大功率因子处，塞贝克系数存在 200 µV/K 的“软上限”，这一发现不仅为理解有机热电性能提供了统一物理图景，也为高效有机热电材料的优化提供了明确且可操作的设计策略。
主要工作
研究团队通过对大量有机聚合物材料在不同掺杂水平下的实验数据进行系统归一化分析，发现 -曲线在最大 功率因子PF前高度重合，呈现出跨材料体系的普适性（图1）。而超过该点后，曲线则出现明显的材料依赖性分化。进一步分析表明，在最大功率因子处，塞贝克系数普遍受限于约200 µV/K 的软上限（图2）。这一普适规律不仅在实验结果中得到观测，研究团队还通过动力学蒙特卡洛模拟（kMC）成功重现实验现象，从而进一步验证了该“软上限”规律的可靠性与普适性。
图1. 有机热电材料中塞贝克系数与电导率（-）之间呈现出普适性关系
图2 有机热电材料中塞贝克系数在最佳性能下存在“软上限”约为 200 µV/K
结合紧束缚模型与动力学蒙特卡洛模拟，研究进一步揭示了该现象的物理起源：准自由载流子在重整化的高斯态密度中迁移。这种重整化效应源于电离掺杂剂与载流子之间的屏蔽相互作用，使得态密度分布发生有效改变，并在此过程中形成了一个难以突破的性能极限（图3）。
图3 随掺杂浓度变化的态密度与能量无序度演化关系
本研究提出的“塞贝克软上限”及其物理根源，不仅在科学上为提升有机热电材料性能指明了方向，也为应用开辟了新思路。该发现为柔性、低成本、可持续的有机热电器件奠定基础，可应用于废热回收、可穿戴能源和绿色技术等领域；同时有望助力智能机器人实现自供能与柔性集成，并推动先进制造实现废热高效利用和过程监控，从而引领新一代智能化与可持续技术的发展。
文章信息
Zelong Li#, Dorothea Scheunemann#, Dennis Derewjanko, Yuqian Liu, Martijn Kemerink* and Guangzheng Zuo*. A Universal Soft Upper Limit to the Seebeck Coefficient in Organic Thermoelectrics, Joule, 2025. 9, 102140.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102140
延伸阅读
复旦大学智能机器人与先进制造创新学院光源与照明工程系源于电光源研究所，由蔡祖泉教授率先创建。过去十年间，该系坚持以国家需求为导向，以科技创新为核心，积极承担国家重点研发计划、国家科技重大专项等多项战略科研项目。研究方向涵盖新型光电器件、智能电网、可见光通信等多个前沿领域。本团队长期聚焦于“光热电材料与器件”开展基础研究与应用探索，取得了一系列具有国际影响力的成果，相关学术成果先后发表在Nature Materials、Joule、Advanced Materials、Physical Review B等国内外权威期刊上。
