Diego Rosas-Villalva förklarade att teamet var förvånade över att en så extremt tunn polymer var så effektiv för att förbättra enhetens livslängd. Kredit:KAUST
En polymer som tidigare använts för att skydda solceller kan hitta nya tillämpningar inom konsumentelektronik, avslöjar ett KAUST-team som studerar tunna filmer som kan omvandla värmeenergi till elektricitet.
När två sidor av en halvledare har olika temperaturer, elektronmigrering från varma till kalla områden kan generera en ström. Detta fenomen, känd som den termoelektriska effekten, kräver vanligtvis halvledare med stela keramiska strukturer för att upprätthålla värmeskillnaden mellan de två sidorna. Men den senaste upptäckten att polymerer också uppvisar termoelektriskt beteende har föranlett en omprövning av hur man kan utnyttja denna metod för förbättrad energiskörd, inklusive inbyggnad i bärbara enheter.
Derya Baran och hennes team på KAUST hjälper till att konstruera självdrivna enheter som använder en ledande polymer som innehåller en blandning av poly(3, 4-etylendioxitiofen) och polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) kedjor. Relativt billigt och lätt att bearbeta för ansökningar, inklusive bläckstråleutskrift, PEDOT:PSS är en av de bästa termoelektriska polymererna tack vare dess förmåga att ta in effektivitetshöjande tillsatser som kallas dopämnen.
Diego Rosas-Villalva, en forskare i Barans grupp, förklarar att termoelektriska PEDOT:PSS tunna filmer ofta exponeras för dopämnen i form av starka syror. Denna process tvättar bort lösa PSS-kedjor för att förbättra polymerens kristallinitet och lämnar efter sig partiklar som oxiderar PEDOT-kedjor för att öka den elektriska ledningsförmågan.
En polymerbaserad tunnfilm utvecklad på KAUST kan utföra termoelektriska kraftomvandlingar med mindre risk för för tidigt fel. Kredit:Diego Villalva
"Vi använder salpetersyra eftersom det är ett av de bästa dopämnena för PEDOT, " säger Rosas-Villalva. "Men, det avdunstar ganska lätt, och detta minskar termoelektrikens prestanda över tiden."
Efter att dopningssteget är klart, PEDOT:PSS-filmen måste genomgå en omvänd procedur för att neutralisera eller "avdopa" vissa ledande partiklar för att förbättra termoelektrisk kraftgenerering.
Diego Rosas-Villalva förklarade att teamet var förvånade över att en så extremt tunn polymer var så effektiv för att förbättra enhetens livslängd. Kredit:KAUST
Typiska dedoteringsmedel inkluderar korta kolväten innehållande positivt laddade amingrupper. KAUST-forskarna studerade en polymeriserad version av dessa aminkedjor, känd som etoxylerad polyetylenimin, när de märkte en anmärkningsvärd effekt - PEDOT:PSS-filmer avdopade med polyetylenimin behöll dubbelt så mycket termoelektrisk effekt efter en vecka jämfört med obehandlade prover.
I utvecklingen av polymerbaserad termoelektrik, PEIE är ett användbart material för att förbättra termoelektrisk prestanda och luftstabilitet. Kredit:American Chemical Society
Teamets undersökningar visade att polyetylenimin var effektivt för att kapsla in PEDOT:PSS-filmer för att förhindra att salpetersyra läcker ut. Dessutom, denna beläggning modifierade de elektroniska egenskaperna hos den termoelektriska polymeren för att göra det lättare att skörda energi från källor, inklusive kroppsvärme.
"Vi förväntade oss inte att denna polymer skulle förbättra enhetens livslängd, speciellt för att det är en så tunn film – mindre än 5 nanometer, " säger Villalva. "Det har införlivats med annan organisk elektronik tidigare, men knappt utforskad för termoelektrik."
