有机热电材料作为新型能源转换材料，凭借其优异的机械柔性、低成本和大规模溶液加工特性，在能源回收、固态制冷及可穿戴电子设备等领域具有广阔应用前景。作为核心器件的热电发生器，能够高效实现热能向电能的直接转换，且对热源具有普适性——无论是工业废热、汽车尾气还是人体体温均可作为有效热源。具体应用包括：在汽车工业中，柔性热电模块可集成于排气管表面，将废热转化为车载电子设备所需电能；在可穿戴领域，利用人体与环境温差即可实现设备自供电。高效热电发生器需依赖性能匹配的p型和n型热电材料协同工作。目前，p型有机热电材料研究已取得重大进展，其热电性能指标已接近传统无机材料水平。然而，n型有机热电材料的发展却面临双重挑战：一方面受制于复杂的分子结构设计与合成工艺，另一方面存在严重的环境稳定性问题。更突出的是，n型材料在载流子迁移率和电导率等关键性能参数上仍存在显著不足。正因如此，高性能n型热电材料的研发已成为推动整个热电领域发展的关键突破口。

图1. a）含乙烯基氰基的醌式结构；b）含羰基的醌式结构；c）本文报道的醌式结构。

  近期，南方科技大学郭旭岗教授团队采用一步合成法制备了结构简单、无异构体的醌式单元TTD（图1）。与经典的缺电子单元NDI相比，TTD展现出更小的空间位阻和更强的缺电子特性，为开发低成本高性能n型聚合物提供了理想平台。单晶结构分析揭示了TTD的醌式特征，其完全平面化的骨架结构和3.45 ?的π-π堆积距离为高效电子传输奠定了基础。研究团队基于TTD单元设计、合成了聚合物PQD和PQTD，得益于TTD优异的电子亲和力和醌式特性，二者分别展现出-3.91 eV和-3.73 eV的低LUMO能级，并表现出自由基特征。在最优条件下，PQD和PQTD分别实现了0.19和0.011 cm2 V?1 s?1的电子迁移率。特别值得注意的是，热退火处理可诱导PQD和PQTD在OFET器件中的载流子传输特性发生显著转变：从p型逐渐演变为双极型，最终转化为n型传输（图2）。这种独特的转变机制源于退火处理导致的结晶度提升，该过程在降低电子传输势垒的同时，却增加了空穴传输势垒。经n型掺杂剂TAM处理后，PQD薄膜表现出优异的热电性能：电导率高达19.2 S cm?1，功率因子达到36.7 μW m?1 K?2（图3）。其中功率因子值在报道的醌式基n型共轭聚合物中创下新高。这项研究不仅证实了TTD单元在分子设计中的优越性，更为开发OFET和OTE领域的高性能n型聚合物材料开辟了新途径。

图2. PQD和PQTD薄膜的特性转移和输出特性：a)和b)未退火，呈现p型特性；c)和d)经140°C退火，表现出双极型特性；e)和f)经280°C退火，显示出n型特性。

图3. a)不同TAM掺杂浓度下PQD薄膜的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱；b)掺杂的PQD薄膜电导率、塞贝克系数和功率因子随TAM掺杂浓度的变化关系；c)PQD薄膜获得的电导率与功率因子，与文献报道的醌式n型掺杂聚合物性能对比。

  以上相关成果以A Simple Quinoid Building Block for Polymer Semiconductors with Tunable Polarity and High n-Type Thermoelectric Performance为题并作为“Hot Paper”发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊上，该论文的第一作者为南方科技大学博士后孙维朋，共同一作分别是博士后Sergio Gámez-Valenzuela和硕士生张夏格，唯一通讯作者为南方科技大学郭旭岗教授。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202501196

  郭旭岗教授课题组网址：http://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/