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    發布時間:2013-05-13 10:11 原文鏈接: 有機半導體熱電材料性能指數翻倍

      據美國《每日科學》網站5月5日報道,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》雜志上。

      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管(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。

      科學家們一般采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,其余的PSS分子并沒有離子化,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、密歇根大學機械工程、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制造出一種柔性薄片,能包裹某個熱物體來發電或者制冷。”

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