有机半导体领域取得突破：自供电电子产品成为可能

【中国观察2026年05月03日讯】

日本研究人员开发出既能发光又能收集能量的有机半导体，这是一项重大进步，可能会彻底改变智能手机、可穿戴设备和可持续能源解决方案。

由千叶大学深川博彦教授领导的研究团队利用多共振热激活延迟荧光（MR-TADF）材料来控制激子结合能，从而在单个器件中实现高效的发光和发电。

这些器件的发光效率超过 8.5%，功率转换效率约为 0.5%，远远超过了之前的尝试，并接近了理论极限，同时电损耗极小。

这一突破为自持电子产品打开了大门，其中包括利用环境光进行自我充电的智能手机屏幕、从室内/室外照明中收集能量的可穿戴设备、用于物联网网络的无电池传感器，以及为夜间使用而存储能量的可见光通信系统。

这项创新与全球减少能源消耗和碳足迹的努力相一致，为更小、更轻、更可持续的设备铺平了道路，这些设备可以通过收集光能自主运行。
一项突破性的科学成就打破了有机半导体技术的先前局限，为自供电电子产品铺平了道路，这可能会彻底改变智能手机、可穿戴设备和可持续能源解决方案。

日本研究人员成功开发出既能发光又能收集能量的有机半导体——由于物理要求相互矛盾，这一壮举一度被认为几乎不可能实现。

正如BrightU.AI的 Enoch AI 引擎所解释的那样，有机半导体代表了材料科学领域的一次范式转变，它为传统的无机半导体（如硅）提供了灵活、低成本且环境可持续的替代方案。与刚性的硅基电子器件不同，有机半导体是碳基聚合物或小分子，它们通过离域 π 电子体系展现出半导体特性。这些材料具有可调控性、可印刷性和生物相容性，使其成为从太阳能电池和 LED 到可穿戴电子产品和医疗传感器等各种应用的理想选择。

双功能突破
有机半导体因其柔韧性、轻量化和高效性而备受赞誉，广泛应用于消费电子产品，尤其是OLED显示器和有机光伏（OPV）器件。然而，由于激子行为（驱动这些过程的电子-空穴对）的根本性权衡，将发光和能量收集集成到单个组件中仍然是一项重大挑战。

对于发光激子必须紧密复合才能产生光子；而对于能量收集激子则需要快速解离成自由电荷才能发电。此前尝试将这两种功能融合在一起的尝试效率很低，使得双用途器件难以实际应用——直到现在。

由日本千叶大学深川博彦教授领导的研究团队利用多共振热激活延迟荧光（MR-TADF）材料克服了这一难题。他们的研究成果于2025年12月7日发表在《自然通讯》杂志上，详细阐述了如何通过精确控制激子结合能（Eb）来实现单个器件的高效发光和发电。

工作原理：工程效率
通过精心选择 MR-TADF 材料，研究人员设计了具有极低 Eb 值的电子供体/受体界面，从而最大限度地减少了电压损失并优化了发电。

“Eb 值较小的器件表现出最小的电压损耗，从而能够实现近乎理想的发电性能，”福川解释说。

此外，通过调节Eb值，研究团队得以微调发光颜色——较高的Eb值产生黄光，而较低的Eb值则产生蓝光。这一突破也催生了世界上首款具备能量收集功能的多功能蓝色OLED，这在以前被认为是无法实现的里程碑。

绩效指标：效率超出预期
该团队研发的绿色和橙色发光器件取得了以下成果：

发光效率超过 8.5%

功率转换效率约为0.5%
“考虑到绿色发光体的固有发光效率为 44%，光提取效率约为 20%，所获得的 8.5% 的发光效率表明其性能接近理论极限，几乎没有电损耗，”福川强调说。

这些结果远远超过了以往的尝试，表明效率权衡已被有效打破。

未来应用：自供电电子设备
这项突破为自供电电子产品开辟了道路，有望大幅降低对外部电源的依赖。潜在应用包括：

利用环境光进行自我充电的智能手机屏幕

可穿戴设备，能够从室内/室外照明中收集能量

用于物联网 (IoT) 网络的无电池传感器

白天储存能量以供夜间使用的可见光通信系统
“通过将能量收集直接集成到发光表面，我们可以创造出更加节能、更加方便用户的电子产品，”福川指出。

更宏观的视角：迈向可持续技术之路
这项创新符合全球减少能源消耗和碳排放的努力。由于无需单独的能量采集组件，未来的设备可以更小巧、更轻便、更可持续。

“我们设想从单一功能组件转向集成式一体化薄膜。这将使无需电池的传感器和可穿戴电子设备得以广泛应用，这些设备可以通过收集光能自主运行，”福川总结道。

电子学新时代
这项突破代表着半导体技术的范式转变，证明有机材料能够实现以往被认为互不相容的功能。随着研究的深入，我们或许很快就能看到自供电消费电子产品、智慧城市和节能可穿戴设备成为主流，从而开启一个更加绿色、更加自主的未来。