作者:K. P. Pipe 来源:《自然—材料学》 发布时间:2013-5-15 13:44:27
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有机半导体热电材料性能指数翻倍
 
据美国《每日科学》网站5月5日报道,热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,目前的有机半导体热电材料的热电转化效率一般比较低。美国科学家最新发现了一种方法,将目前表现最好的有机半导体热电材料的效率提高了70%。研究发表在5月5日出版的《自然—材料学》杂志上。
 
现在最高效的热电材料一般由铋、碲、硒等相对来说比较少见的无机半导体组成,这些元素昂贵、易碎,而且有些还有毒。有机半导体不仅便宜、储量丰富而且轻便、坚固,但一直以来,这类热电材料在热—电转化过程中的表现差强人意。无机半导体热电材料的热电转化效率几乎是有机半导体热电材料的4倍。
 
科学家们一般用“性能指数”这一值来反映材料的热电转化效率。目前,在室温下,最高效的无机热电材料的“性能指数”接近1;而有机半导体热电材料的“性能指数”仅为0.25。
 
现在,科学家们将最好的有机半导体热电材料聚3,4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)的“性能指数”提高了70%,达到0.42,为目前最好的无机半导体热电材料的一半。
 
PEDOT:PSS由PEDOT和PSS两种物质构成,PEDOT是EDOT(3,4-亚乙二氧噻吩单体)的聚合物,PSS是聚苯乙烯磺酸盐。PEDOT:PSS以前被用作有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池等设备的透明电极;也被用来做胶片等材料的防静电剂。
 
科学家们一般采用掺杂这一过程来增加材料的导电能力,当朝某种材料添加搀杂剂时,掺杂剂就给主材料提供了电载体,每个添加进去的电载体都能增强原材料的导电能力。然而,当在PEDOT中掺杂PSS时,实际上只有很少量的PSS同PEDOT结合,其余的PSS分子并没有离子化,化学活性也不强。研究人员发现,这些过量的PSS分子会显著抑制PEDOT:PSS的导电能力和热电性能。
 
该研究的领导者、密歇根大学机械工程、电子工程和计算机副教授凯文·派普表示:“不活跃的PSS分子会进一步将PEDOT分子推开,使电子更难在PEDOT分子之间跳跃。离子化的PSS分子会提高PEDOT:PSS的导电性,而没有离子化的PSS分子则会降低其导电性。”
 
为了提高PEDOT:PSS的热电效率,科学家们在纳米尺度对这种材料的结构进行了调整,也使用了一些溶剂将那些未被离子化的PSS分子从该材料中移走,从而显著提高了其导电能力和热电转化效率。
 
这种特殊的有机热电材料将在温度达到250华氏度(约121摄氏度)时开始工作。派普表示:“最新技术有望让我们制造出一种柔性薄片,能包裹某个热物体来发电或者制冷。”(来源:科技日报 刘霞)

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