Een polymeer dat eerder werd gebruikt om zonnecellen te beschermen, kan nieuwe toepassingen vinden in consumentenelektronica, onthult een KAUST-team dat dunne films bestudeert die thermische energie kunnen omzetten in elektriciteit.

Als twee zijden van een halfgeleider een verschillende temperatuur hebben, elektronenmigratie van warme naar koele gebieden kan een stroom opwekken. Dit fenomeen, bekend als het thermo-elektrische effect, vereist typisch halfgeleiders met stijve keramische structuren om het warmteverschil tussen de twee zijden te behouden. Maar de recente ontdekking dat polymeren ook thermo-elektrisch gedrag vertonen, heeft geleid tot een heroverweging van het gebruik van deze methode voor een betere energiewinning. inclusief integratie in draagbare apparaten.

Derya Baran en haar team bij KAUST helpen bij het ontwerpen van zelfaangedreven apparaten met behulp van een geleidend polymeer dat een mengsel van poly (3, 4-ethyleendioxythiofeen) en polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS) ketens. Relatief goedkoop en gemakkelijk te verwerken voor toepassingen, inclusief inkjetprinten, PEDOT:PSS is een van de best presterende thermo-elektrische polymeren dankzij het vermogen om efficiëntieverhogende additieven op te nemen die bekend staan ​​​​als doteermiddelen.

Diego Rosas-Villalva, een onderzoeker in de groep van Baran, legt uit dat thermo-elektrische PEDOT:PSS dunne films vaak worden blootgesteld aan doteermiddelen in de vorm van sterke zuren. Dit proces spoelt losse PSS-ketens weg om de kristalliniteit van het polymeer te verbeteren en laat deeltjes achter die PEDOT-ketens oxideren om de elektrische geleidbaarheid te vergroten.

"We gebruiken salpeterzuur omdat het een van de beste doteringsmiddelen is voor PEDOT, " zegt Rosas-Villalva. "Echter, het verdampt vrij gemakkelijk, en dit vermindert de prestaties van de thermo-elektrische na verloop van tijd."

Nadat de dopingstap is voltooid, de PEDOT:PSS-film moet een omgekeerde procedure ondergaan om sommige geleidende deeltjes te neutraliseren of "dedoperen" om de opwekking van thermo-elektrische energie te verbeteren.

Typische dedoteringsmiddelen omvatten korte koolwaterstoffen die positief geladen aminegroepen bevatten. De KAUST-onderzoekers bestudeerden een gepolymeriseerde versie van deze amineketens, bekend als geëthoxyleerd polyethyleenimine, toen ze een opmerkelijk effect opmerkten - PEDOT:PSS-films die waren gedoopt met polyethyleenimine behielden na een week twee keer zoveel thermo-elektrisch vermogen in vergelijking met onbehandelde exemplaren.

Uit het onderzoek van het team bleek dat polyethyleenimine effectief was in het inkapselen van PEDOT:PSS-films om te voorkomen dat salpeterzuur ontsnapt. In aanvulling, deze coating veranderde de elektronische eigenschappen van het thermo-elektrische polymeer om het gemakkelijker te maken om energie uit bronnen te halen, inclusief lichaamswarmte.

"We hadden niet verwacht dat dit polymeer de levensduur van het apparaat zou verbeteren, vooral omdat het zo'n dunne film is - minder dan 5 nanometer, "zegt Villalva. "Het is al eerder in andere organische elektronica verwerkt, maar nauwelijks onderzocht voor thermo-elektriciteit."