有機半導體熱電材料性能指數翻倍

2020-12-01 科學網

 

據美國《每日科學》網站5月5日報導，熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，目前的有機半導體熱電材料的熱電轉化效率一般比較低。美國科學家最新發現了一種方法，將目前表現最好的有機半導體熱電材料的效率提高了70%。研究發表在5月5日出版的《自然—材料學》雜誌上。

 

現在最高效的熱電材料一般由鉍、碲、硒等相對來說比較少見的無機半導體組成，這些元素昂貴、易碎，而且有些還有毒。有機半導體不僅便宜、儲量豐富而且輕便、堅固，但一直以來，這類熱電材料在熱—電轉化過程中的表現差強人意。無機半導體熱電材料的熱電轉化效率幾乎是有機半導體熱電材料的4倍。

 

科學家們一般用「性能指數」這一值來反映材料的熱電轉化效率。目前，在室溫下，最高效的無機熱電材料的「性能指數」接近1；而有機半導體熱電材料的「性能指數」僅為0.25。

 

現在，科學家們將最好的有機半導體熱電材料聚3,4-亞乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的「性能指數」提高了70%，達到0.42，為目前最好的無機半導體熱電材料的一半。

 

PEDOT:PSS由PEDOT和PSS兩種物質構成，PEDOT是EDOT（3，4-亞乙二氧噻吩單體）的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽。PEDOT:PSS以前被用作有機發光二極體（OLED）、有機太陽能電池等設備的透明電極；也被用來做膠片等材料的防靜電劑。

 

科學家們一般採用摻雜這一過程來增加材料的導電能力，當朝某種材料添加攙雜劑時，摻雜劑就給主材料提供了電載體，每個添加進去的電載體都能增強原材料的導電能力。然而，當在PEDOT中摻雜PSS時，實際上只有很少量的PSS同PEDOT結合，其餘的PSS分子並沒有離子化，化學活性也不強。研究人員發現，這些過量的PSS分子會顯著抑制PEDOT:PSS的導電能力和熱電性能。

 

該研究的領導者、密西根大學機械工程、電子工程和計算機副教授凱文·派普表示：「不活躍的PSS分子會進一步將PEDOT分子推開，使電子更難在PEDOT分子之間跳躍。離子化的PSS分子會提高PEDOT:PSS的導電性，而沒有離子化的PSS分子則會降低其導電性。」

 

為了提高PEDOT:PSS的熱電效率，科學家們在納米尺度對這種材料的結構進行了調整，也使用了一些溶劑將那些未被離子化的PSS分子從該材料中移走，從而顯著提高了其導電能力和熱電轉化效率。

 

這種特殊的有機熱電材料將在溫度達到250華氏度（約121攝氏度）時開始工作。派普表示：「最新技術有望讓我們製造出一種柔性薄片，能包裹某個熱物體來發電或者製冷。」（來源：科技日報 劉霞）

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