Termoelektriska material kan användas för att förvandla spillvärme till el eller för att tillhandahålla kylning utan några flytande kylmedel, och ett forskargrupp från University of Michigan har hittat ett sätt att nästan fördubbla effektiviteten hos en viss klass av dem som är gjorda med organiska halvledare.
Organiska halvledare är kolrika föreningar som är relativt billiga, riklig, lätt och tuff. Men de har inte traditionellt ansetts vara kandidat termoelektriska material eftersom de har varit ineffektiva med att genomföra den väsentliga värme-till-el-omvandlingsprocessen.
Dagens mest effektiva termoelektriska material är gjorda av relativt sällsynta oorganiska halvledare som vismut, tellur och selen som är dyra, sprött och ofta giftigt. Fortfarande, de lyckas omvandla värme till el mer än fyra gånger så effektivt som de organiska halvledarna som skapats hittills.
Denna större effektivitet återspeglas i ett mått som forskare kallar den termoelektriska "meritfiguren". Detta mått är ungefär 1 nära rumstemperatur för toppmoderna oorganiska termoelektriska material, men endast 0,25 för organiska halvledare.
U-M-forskare förbättrade den senaste tekniken inom organiska halvledare med nästan 70 procent, uppnå en värde-värde på 0,42 i en förening känd som PEDOT:PSS.
"Det är ungefär hälften så effektivt som nuvarande oorganiska halvledare, "sa projektledaren Kevin Pipe, docent i maskinteknik samt elektroteknik och datavetenskap. Pipe är medförfattare till ett papper om forskningen som publicerades i Naturmaterial den 5 maj, 2013.
PEDOT:PSS är en blandning av två polymerer:den konjugerade polymeren PEDOT och polyelektrolyten PSS. Det har tidigare använts som en transparent elektrod för enheter som organiska lysdioder och solceller, samt ett antistatiskt medel för material som fotografiska filmer.
Ett av de sätt som forskare och ingenjörer ökar materialets kapacitet att leda elektricitet är att tillföra föroreningar till det i en process som kallas dopning. När dessa tillsatta ingredienser, kallas dopningsmedel, bindning till värdmaterialet, de ger den en elektrisk bärare. Var och en av dessa extra bärare förbättrar materialets elektriska konduktivitet.
I PEDOT dopad av PSS, dock, endast en liten del av PSS -molekylerna binder faktiskt till värden PEDOT; resten av PSS -molekylerna blir inte joniserade och är inaktiva. Forskarna fann att dessa överskott av PSS -molekyler dramatiskt hämmar både elektrisk ledningsförmåga och termoelektrisk prestanda hos materialet.
"Problemet är att de inaktiva PSS -molekylerna skjuter PEDOT -molekylerna längre isär, gör det svårare för elektroner att hoppa mellan PEDOT -molekyler, "Pipe sa." Medan joniserade PSS -molekyler förbättrar elektrisk konduktivitet, icke-joniserade PSS-molekyler reducerar det. "
För att förbättra sin termoelektriska effektivitet, forskarna omstrukturerade materialet på nanoskala. Pipe och hans team kom på hur man använder vissa lösningsmedel för att ta bort några av dessa icke-joniserade PSS-dopningsmolekyler från blandningen, vilket leder till stora ökningar av både den elektriska konduktiviteten och den termoelektriska energiomvandlingseffektiviteten.
Detta specifika organiska termoelektriska material skulle vara effektivt vid temperaturer upp till cirka 250 grader Fahrenheit.
"Så småningom kan denna teknik tillåta oss att skapa ett flexibelt ark-tänk på Saran Wrap-som kan rullas ut eller lindas runt ett hett föremål för att generera el eller ge kylning, Sa Pipe.
