Termoelektriska material kan förvandla en temperaturskillnad till elektricitet. Organiska termoelektriska material kan användas för att driva bärbar elektronik eller sensorer; dock, uteffekten är fortfarande mycket låg. Ett internationellt team ledd av Jan Anton Koster, Professor i halvledarfysik vid universitetet i Groningen, har nu tagit fram en organisk halvledare av n-typ med överlägsna egenskaper som för dessa applikationer ett stort steg närmare. Deras resultat publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 10 november.

Den termoelektriska generatorn är den enda mänskliga kraftkällan utanför vårt solsystem:både Voyager-rymdsonderna, som lanserades 1977 och nu befinner sig i det interstellära rymden, drivs av generatorer som omvandlar värme (i detta fall, tillhandahålls av en radioaktiv källa) till en elektrisk ström. "Det fantastiska med sådana generatorer är att de är solid-state-enheter, utan några rörliga delar, " förklarar Koster.

Ledningsförmåga

Dock, det oorganiska termoelektriska materialet som används i Voyagers generatorer är inte lämpligt för mer vardagliga tillämpningar. Dessa oorganiska material innehåller giftiga eller mycket sällsynta ämnen. Vidare, de är vanligtvis stela och spröda. "Det är därför intresset för organiska termoelektriska material ökar, säger Koster. Ändå, dessa material har sina egna problem. Det optimala termoelektriska materialet är ett fononglas, som har en mycket låg värmeledningsförmåga (så att den kan upprätthålla en temperaturskillnad) och även en elektronkristall med hög elektrisk konduktivitet (för att transportera den genererade strömmen). Koster säger:"Problemet med organiska halvledare är att de vanligtvis har låg elektrisk ledningsförmåga."

Ändå, över ett decenniums erfarenhet av att utveckla organiskt fotovoltaiskt material vid universitetet i Groningen har lett teamet på vägen mot ett bättre organiskt termoelektriskt material. De fokuserade sin uppmärksamhet på en halvledare av n-typ, som har en negativ laddning. För en termoelektrisk generator, både n-typ och p-typ (bär positiv laddning) halvledare behövs, även om effektiviteten hos organiska halvledare av p-typ redan är ganska bra.

Buckyballs

Laget använde fullerener ('buckyballs, ' består av sextio kolatomer) med en sidokedja av dubbeltrietylenglykol-typ tillsatt till dem. För att öka den elektriska ledningsförmågan, ett n-dopant tillsattes. "Fullerenerna har redan en låg värmeledningsförmåga, men att lägga till sidokedjorna gör den ännu lägre, så materialet är ett mycket bra fononglas, säger Koster. Dessutom, dessa kedjor innehåller också dopningsmedlet och skapar en mycket ordnad struktur under glödgningen." Det senare gör materialet till en elektrisk kristall, med en elektrisk ledningsförmåga liknande den för rena fullerener.

"Vi har nu gjort den första organiska fononglas elektriska kristallen, ", säger Koster. "Men den mest spännande delen för mig är dess termoelektriska egenskaper." Dessa uttrycks av ZT-värdet. T hänvisar till den temperatur vid vilken materialet arbetar, medan Z innehåller de andra materialegenskaperna. Det nya materialet ökar det högsta ZT-värdet i sin klass från 0,2 till över 0,3, en betydande förbättring.

Sensorer

"Ett ZT-värde på 1 anses vara en kommersiellt gångbar effektivitet, men vi tror att vårt material redan kan användas i applikationer som kräver låg effekt, " säger Koster. För att driva sensorer, till exempel, Det krävs några mikrowatt effekt och dessa skulle kunna produceras av ett par kvadratcentimeter av det nya materialet. "Våra medarbetare i Milano skapar redan termoelektriska generatorer som använder fullerener med en enda sidokedja, som har ett lägre ZT-värde än vi har nu."

Fullerenerna, sidokedja och dopningsmedel är alla lätt tillgängliga och produktionen av det nya materialet kan sannolikt skalas upp utan alltför många problem, enligt Koster. Han är mycket nöjd med resultatet av denna studie. "Artikeln har tjugo författare från nio olika forskargrupper. Vi använde vår samlade kunskap om syntetisk organisk kemi, organiska halvledare, molekylär dynamik, värmeledningsförmåga och röntgenstrukturstudier för att få detta resultat. Och vi har redan några idéer om hur vi kan öka effektiviteten ytterligare."