Thermo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt om afvalwarmte om te zetten in elektriciteit of om koeling te bieden zonder vloeibare koelmiddelen, en een onderzoeksteam van de Universiteit van Michigan heeft een manier gevonden om de efficiëntie van een bepaalde klasse die is gemaakt met organische halfgeleiders bijna te verdubbelen.

Organische halfgeleiders zijn koolstofrijke verbindingen die relatief goedkoop zijn, overvloedig, lichtgewicht en taai. Maar traditioneel werden ze niet beschouwd als kandidaat-thermo-elektrische materialen omdat ze inefficiënt waren in het uitvoeren van het essentiële conversieproces van warmte naar elektriciteit.

De meest efficiënte thermo-elektrische materialen van vandaag zijn gemaakt van relatief zeldzame anorganische halfgeleiders zoals bismut, tellurium en selenium die duur zijn, broos en vaak giftig. Nog altijd, ze slagen erin om warmte meer dan vier keer zo efficiënt om te zetten in elektriciteit als de organische halfgeleiders die tot nu toe zijn gemaakt.

Deze grotere efficiëntie wordt weerspiegeld in een metriek die door onderzoekers bekend staat als de thermo-elektrische 'waarde van verdienste'. Deze metriek is ongeveer 1 bij kamertemperatuur voor ultramoderne anorganische thermo-elektrische materialen, maar slechts 0,25 voor organische halfgeleiders.

UM-onderzoekers verbeterden de state-of-the-art in organische halfgeleiders met bijna 70 procent, het bereiken van een verdienste van 0,42 in een verbinding die bekend staat als PEDOT:PSS.

"Dat is ongeveer half zo efficiënt als de huidige anorganische halfgeleiders, ", aldus projectleider Kevin Pipe, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en elektrotechniek en informatica. Pipe is co-auteur van een paper over het onderzoek gepubliceerd in Natuurmaterialen op 5 mei, 2013.

PEDOT:PSS is een mengsel van twee polymeren:het geconjugeerde polymeer PEDOT en de polyelektrolyt PSS. Het is eerder gebruikt als transparante elektrode voor apparaten zoals organische LED's en zonnecellen, evenals een antistatisch middel voor materialen zoals fotografische films.

Een van de manieren waarop wetenschappers en ingenieurs het vermogen van een materiaal voor het geleiden van elektriciteit vergroten, is door er onzuiverheden aan toe te voegen in een proces dat bekend staat als doping. Wanneer deze toegevoegde ingrediënten, doteringsstoffen genoemd, binding met het gastheermateriaal, ze geven het een elektrische drager. Elk van deze extra dragers verbetert de elektrische geleidbaarheid van het materiaal.

In PEDOT gedoteerd door PSS, echter, slechts een kleine fractie van de PSS-moleculen bindt zich daadwerkelijk aan de PEDOT van de gastheer; de rest van de PSS-moleculen worden niet geïoniseerd en zijn inactief. De onderzoekers ontdekten dat deze overtollige PSS-moleculen zowel de elektrische geleidbaarheid als de thermo-elektrische prestaties van het materiaal dramatisch remmen.

"Het probleem is dat de inactieve PSS-moleculen de PEDOT-moleculen verder uit elkaar duwen, waardoor het moeilijker wordt voor elektronen om tussen PEDOT-moleculen te springen, " zei Pipe. "Terwijl geïoniseerde PSS-moleculen de elektrische geleidbaarheid verbeteren, niet-geïoniseerde PSS-moleculen verminderen het."

Om de thermo-elektrische efficiëntie te verbeteren, de onderzoekers herstructureerden het materiaal op nanoschaal. Pipe en zijn team hebben ontdekt hoe ze bepaalde oplosmiddelen kunnen gebruiken om een ​​aantal van deze niet-geïoniseerde PSS-doterende moleculen uit het mengsel te verwijderen. wat leidt tot een grote toename van zowel de elektrische geleidbaarheid als de efficiëntie van de omzetting van thermo-elektrische energie.

Dit specifieke organische thermo-elektrische materiaal zou effectief zijn bij temperaturen tot ongeveer 250 graden Fahrenheit.

"Uiteindelijk zou deze technologie ons in staat kunnen stellen een flexibele plaat te maken - denk aan Saran Wrap - die kan worden uitgerold of rond een heet object kan worden gewikkeld om elektriciteit op te wekken of voor koeling te zorgen, ' zei Pijp.