PEDOT:PSS:Forbedring af termoelektriske materialer, der omdanner varme til elektricitet og omvendt

Termoelektriske materialer kan bruges til at omdanne spildvarme til elektricitet eller til at levere køling uden flydende kølemidler, og et forskerhold fra University of Michigan har fundet en måde at næsten fordoble effektiviteten af ​​en bestemt klasse af dem, der er lavet med organiske halvledere.

Organiske halvledere er kulstofrige forbindelser, der er relativt billige, rigelig, let og sej. Men de er ikke traditionelt blevet betragtet som termoelektriske kandidatmaterialer, fordi de har været ineffektive til at udføre den væsentlige varme-til-elektricitet konverteringsproces.

Nutidens mest effektive termoelektriske materialer er lavet af relativt sjældne uorganiske halvledere såsom vismut, tellur og selen, der er dyre, skør og ofte giftig. Stadig, de formår at omdanne varme til elektricitet mere end fire gange så effektivt som de organiske halvledere, der er skabt til dato.

Denne større effektivitet afspejles i en metrik kendt af forskere som den termoelektriske "meritfigur". Denne metrik er ca. 1 nær stuetemperatur for avancerede uorganiske termoelektriske materialer, men kun 0,25 for organiske halvledere.

UM-forskere forbedrede det nyeste inden for organiske halvledere med næsten 70 procent, opnåelse af et merittal på 0,42 i en forbindelse kendt som PEDOT:PSS.

"Det er cirka halvt så effektivt som nuværende uorganiske halvledere, " sagde projektleder Kevin Pipe, en lektor i maskinteknik samt elektroteknik og datalogi. Pipe er medforfatter til et papir om forskningen offentliggjort i Naturmaterialer den 5. maj, 2013.

PEDOT:PSS er en blanding af to polymerer:den konjugerede polymer PEDOT og polyelektrolyt-PSS. Den har tidligere været brugt som en gennemsigtig elektrode til enheder som organiske LED'er og solceller, samt et antistatisk middel til materialer som fotografiske film.

En af måderne, videnskabsmænd og ingeniører øger et materiales kapacitet til at lede elektricitet på, er at tilføje urenheder til det i en proces kendt som doping. Når disse tilsatte ingredienser, kaldet dopingmidler, binding til værtsmaterialet, de giver den en elektrisk bærer. Hver af disse ekstra bærere forbedrer materialets elektriske ledningsevne.

I PEDOT dopet af PSS, imidlertid, kun en lille del af PSS-molekylerne binder faktisk til værts-PEDOT; resten af ​​PSS-molekylerne bliver ikke ioniseret og er inaktive. Forskerne fandt ud af, at disse overskydende PSS-molekyler dramatisk hæmmer både den elektriske ledningsevne og den termoelektriske ydeevne af materialet.

"Problemet er, at de inaktive PSS-molekyler skubber PEDOT-molekylerne længere fra hinanden, gør det sværere for elektroner at hoppe mellem PEDOT-molekyler, " sagde Pipe. "Mens ioniserede PSS-molekyler forbedrer den elektriske ledningsevne, ikke-ioniserede PSS-molekyler reducerer det."

For at forbedre dens termoelektriske effektivitet, forskerne omstrukturerede materialet på nanoskala. Pipe og hans team fandt ud af, hvordan man bruger bestemte opløsningsmidler til at fjerne nogle af disse ikke-ioniserede PSS-doteringsmolekyler fra blandingen, fører til store stigninger i både den elektriske ledningsevne og den termoelektriske energiomdannelseseffektivitet.

Dette særlige organiske termoelektriske materiale ville være effektivt ved temperaturer op til omkring 250 grader Fahrenheit.

"Til sidst kunne denne teknologi give os mulighed for at skabe et fleksibelt ark - tænk på Saran Wrap - der kan rulles ud eller vikles rundt om en varm genstand for at generere elektricitet eller give køling, " sagde Pipe.