中国科学院物理研究所 2026年06月05日
近24小时内，热电材料领域共收录6篇代表性研究成果，涵盖无机块体材料、有机聚合物材料及理论计算三大类别。其中，无机块体材料研究4篇，涉及PbSe基制冷材料、PbTe合金、Sb2Te3辐照稳定性及双钙钛矿理论预测；有机聚合物研究2篇，聚焦窄带隙给体-受体聚合物光热转换及侧链自由基修饰的n型聚合物热电性能。从研究类型看，实验研究5篇，第一性原理计算研究1篇。值得关注的是，全PbSe体系热电制冷技术的实现以及光热-热电联用集成系统的构建，标志着热电材料在固态制冷与能源综合利用方面取得重要进展。
立方双钙钛矿K2ScInI6与K2ScInBr6的第一性原理计算研究[4]为无铅卤化物双钙钛矿在热电领域的应用提供了电子结构与输运特性的理论框架。有机聚合物中给体-受体交替结构促进分子内电荷转移、窄化带隙的设计策略[2]，拓展了有机光热材料的分子设计范式。
超低铬掺杂实现全PbSe热电制冷[1]，突破了传统全铅硫族化物在制冷端的性能瓶颈。含2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基（TEMPO）自由基侧链的共轭聚合物与N-DMBI共混后，电导率提升达4个数量级，功率因子达到0.6微瓦每米每平方开尔文[3]，显著改善了n型有机热电材料的掺杂效率。
基于TTQT聚合物的界面蒸发器能量转换效率达86.5%，并与热电模块耦合构建光热-热电联用系统[2]，实现了蒸汽与电力的协同产出。中子辐照技术用于调控Sb2Te3的结构稳定性与热电性能[6]，为极端环境下热电材料的性能优化提供了新途径。
[1] Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling
核心发现与创新点在于采用超低铬掺杂策略构建全PbSe热电制冷体系，避免了异质结或多元复合带来的界面复杂性，简化了制冷器件的结构设计。方法论突破体现在通过微量掺杂实现对PbSe基材料载流子浓度与能带结构的精准调控。领域争议点与解决路径方面，PbSe基材料长期被认为更适合发电应用，其在制冷端的性能优势不足，该研究通过超低掺杂浓度可能优化了室温附近的优值，为全硒化物制冷提供了可行路径。
核心发现是设计并合成了TTQT与TTQP两种窄带隙给体-受体交替共聚物，其中TTQT在模拟太阳光照射下太阳能-热转换效率达28.4%，界面蒸发器能量转换效率达86.5%。创新点在于将光热蒸发与热电发电集成，构建了不牺牲蒸发性能的水-电联产系统。方法论突破在于通过优化喹喔啉单元结构，扩展了聚合物的共轭平面并增强了远红外吸收。争议点在于有机光热材料的长期热稳定性及热电联用系统的实际工况匹配，该研究通过材料结构优化与系统集成设计提供了初步解决方案。
[3] Thermoelectric Properties of a Diketopyrrolopyrrole Polymer With Radical Pending Units
核心发现是将TEMPO自由基单元引入基于二酮吡咯并吡咯（DPP）和异靛蓝（IID）的n型共轭聚合物侧链，通过氢转移机制提升N-DMBI分子掺杂效率。创新点在于利用侧链自由基化学而非传统共轭骨架修饰来改善掺杂效果，电导率提升4个数量级。方法论突破在于合成了一类含稳定氮氧自由基侧链的共轭聚合物，并系统对比了功能化与未功能化聚合物的掺杂行为。争议点在于自由基单元对聚合物热稳定性及长期抗氧化能力的影响，以及功率因子绝对值仍较低的问题，未来需通过优化共轭主链与自由基密度进一步平衡掺杂效率与载流子迁移率。
对物理所热电材料与器件研究方向的直接启示：全PbSe制冷技术[1]与物理所热电材料、器件与系统应用研究高度契合，可为固态制冷器件设计提供材料体系参考。Sb2Te3的中子辐照研究[6]对理解极端条件下热电材料的结构演化具有重要价值，可与物理所从事极端条件物性研究的团队形成交叉。
对有机与低维材料研究的启示：侧链自由基工程[3]和窄带隙聚合物设计[2]为有机热电材料研究开辟了新维度，建议物理所从事低维量子材料与新能源器件物理的课题组关注有机-无机杂化能源系统的构建。
对计算与理论研究的启示：双钙钛矿热电性质的第一性原理研究[4]与物理所固体与纳米材料物性计算、凝聚态物质奇异性质的理论研究方向相呼应，可推动新型无铅热电材料的计算筛选。
| 材料体系 | 结构特征 | 合成/制备路径 | 关键性能指标 |
|---|---|---|---|
| Cr掺杂PbSe | 铅硒化物基体，超低浓度铬掺杂 | 掺杂调控 | 热电制冷性能优化 |
| TTQT/TTQP聚合物 | D-A交替共轭结构，扩展共轭平面 | 共聚物合成 | 光热转换效率28.4%，蒸发效率86.5% |
| TEMPO-DPP-IID聚合物 | DPP-IID共轭核，侧链TEMPO自由基 | 自由基功能化共聚 | 电导率提升4个数量级，功率因子0.6 µW m−1 K−2 |
| K2ScInI6/K2ScInBr6 | 立方双钙钛矿结构 | 理论计算预测 | 光学与热电性质理论优化 |
| Sn掺杂PbTe | 碲化铅基体，锡掺杂 | 合金化掺杂 | 结构与热电性能调控 |
| 辐照Sb2Te3 | 锑碲化物，中子辐照缺陷工程 | 中子辐照处理 | 结构稳定性与热电性能 |
PbSe与PbTe体系通过掺杂工程调控载流子浓度与能带结构，适用于中温区发电与近室温制冷；有机聚合物体系通过分子骨架设计与侧链功能化分别优化光吸收范围和掺杂效率，适用于柔性热电与光热联用场景；双钙钛矿体系凭借立方结构与高对称性，在理论层面展现出可调控的输运特性；Sb2Te3通过辐照引入缺陷，平衡电声输运行为。
物理所现有热电材料、器件与系统应用研究基础可无缝对接PbSe基制冷材料开发；从事太阳能材料与器件、新能源器件物理的课题组具备开展光热-热电联用系统研究的实验条件；固体物性计算团队可针对双钙钛矿体系开展深度计算。
建议热电材料课题组与从事透射电子显微镜方法创新的团队合作，解析Cr掺杂PbSe及辐照Sb2Te3的原子尺度缺陷结构；与超快光谱学研究团队联合，探究有机聚合物中光生载流子与热电输运的动态过程；与从事极端条件下新材料研制的团队协作，验证双钙钛矿块体材料的合成与稳定性。
有机聚合物热电材料的功率因子绝对值仍远低于传统无机材料，需审慎评估其实际应用潜力；中子辐照对Sb2Te3的长期结构稳定性影响机制尚不明确，需避免过度解读短期性能变化；双钙钛矿材料的实验合成与器件制备尚未验证，理论预测存在与实验偏差的风险；有机光热材料在持续光照下的热氧化降解问题需长期跟踪。
短期内（1-2年），PbSe基制冷材料将向原型器件与界面优化方向发展；光热-热电联用系统有望在分布式能源场景开展示范。中期（3-5年），有机n型聚合物通过侧链工程与主链优化，功率因子有望实现数量级突破；双钙钛矿类材料若实验合成成功，可能成为无铅热电材料的新增长点；辐照缺陷工程可能在空间用热电材料中获得应用验证。