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中科院上海硅酸盐所李慧副研究员和陈立东研究员AFM:在有机热电材料方面取得重要进展
2020-10-10  来源:高分子科技

  有机聚合物热电材料是一类新兴的可以实现热与电直接转换的清洁能源材料,与无机热电材料相比,聚合物热电材料种类匮乏、热电转换性能低。化学掺杂是提高聚合物导电能力、调控其热电性能的主要手段,目前聚合物半导体材料掺杂效率低,而且高浓度掺杂容易破坏聚合物自身堆积从而显著降低载流子迁移率,不仅不能获得高电导同时伴随着泽贝克系数的减小,限制了器件性能的提升。因此,开发掺杂效率高并且能够保持高迁移率的新型导电高分子体系对于提升聚合物半导体热电性能具有重要意义。


  经典的聚噻吩类材料容易被掺杂,可以获得高电导,但是这类材料本征迁移率低,而且Seebeck系数很低 (10~20 μV K-1), 最终功率因子不高(图1);另一类给-受体交替型聚合物通常表现出良好的载流子迁移率,但由于其电离能较大,导致化学掺杂效率低下,较难获得高电导。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所李慧副研究员和陈立东研究员利用功能基元随机共聚策略,巧妙地将给-受体型构筑单元和联噻吩单元进行组合,获得一系列新型导电高分子,成功地实现了掺杂效率和迁移率的协同优化,为高性能聚合物热电材料的结构设计提供了重要的参考依据。


  这类新材料结构特点是:(1)利用给-受体单元之间静电相互作用增强聚合物链之间堆积紧密;(2)烷氧基修饰的联噻吩给体单元可以提高聚合物和掺杂剂之间的电荷转移。(3)随机共聚增大聚合物主链的不规整性,有利于提高泽贝克系数。


图1. 经典的聚噻吩类(上)、给-受体交替型聚合物(中)以及本工作中设计的新型聚合物(下)。


  新型的共聚物通过Stille偶联反应获得,制备过程简单并且聚合物主链组成可调控(图2)。


图2. 聚合物的合成和化学结构


图3. 三类聚合物霍尔迁移率和载流子浓度随掺杂浓度的变化趋势(a, b, c)。电导率、泽贝克系数和功率因子随载流子浓度的变化趋势(d, e, f)。


  相较于给-受体交替型聚合物半导体在高浓度掺杂时迁移率显著下降和聚噻吩类半导体本征迁移率低的特点,通过功能基元共聚策略制备的新型聚合物半导体在较高浓度掺杂时载流子迁移率依然保持在1 cm2 V-1 s-1以上(图3),并且载流子浓度达到1020~1021 cm-3,最终可以获得高电导率(> 350 S cm-1)。此外,由于随机共聚可以降低聚合物主链的规整度,使得新型聚合物的泽贝克系数高于全噻吩聚合物,最终功率因子高于110 μW K-2 m-1,证明功能基元的随机共聚是制备新型高性能热电材料的有效策略。


  相关研究成果以Synergistically Improved Molecular Doping and Carrie Mobility by Copolymerization of Donor-Acceptor and Donor-Donor Building Blocks for Thermoelectric Application”为题发表在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上,并且被选为当期back cover。中科院上海硅酸盐研究所李慧副研究员为第一作者和通讯作者,陈立东研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和上海市扬帆计划的支持。


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202070270

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(责任编辑:xu)
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