Polaron-Grenzflächenentropie als Weg zu hoher thermoelektrischer Leistung in DAE-dotierten PEDOT:PSS-Filmen

Unter den organischen thermoelektrischen Materialien haben PEDOT:PSS-Dünnfilme (Poly(3,4-ethylendioxythiophen-poly(4-styrolsulfonat))) große Aufmerksamkeit erhalten, weisen jedoch aufgrund der hohen Oxidationsstufen niedrige Seebeck-Koeffizienten von 10–20 μV K-1 auf in der PEDOT-Polymerkette. Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Seebeck-Koeffizienten zu erhöhen.

Eine Strategie besteht darin, den Oxidationszustand der Ethylendioxythiophen-Einheit durch Nachbehandlung mit einer reduzierenden Lösung von chinoid zu benzoid zu ändern. Alternativ wurde eine Verbesserung der thermoelektrischen Leistung durch Zugabe anorganischer thermoelektrischer Nanopartikel wie Bi2Te3 und Te erreicht. Es bleibt jedoch schwierig, die intrinsische Kopplung zwischen dem Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit zu überwinden.

In einem Forschungsartikel veröffentlicht im National Science ReviewWissenschaftler der Southern University of Science and Technology, der Peking University, und des Institute of Chemistry, CAS berichten über die direkte Manipulation der besetzten Polaron-Grenzflächenentropie in einem PEDOT:PSS-Dünnfilm mit UV-Licht-induzierter Resonanz zwischen PEDOT und Diarylethen und erzielten so eine 10 -fache Thermokraftsteigerung von 13,5 μV K-1 auf 135,4 μV K-1 bei nahezu unveränderter elektrischer Leitfähigkeit.

Sie führten einen Grenzflächenzustand ein, um die besetzte Polaron-Grenzflächenentropie von PEDOT:PSS mit einem photochromen DAE anzupassen. Die Stereostruktur von DAE-Molekülen könnte sich unter UV-Licht von einer offenen Ringstruktur in eine geschlossene Ringform umwandeln.

Aufgrund ihrer ähnlichen CC=CC-Bindungen, die über schwache Wechselwirkungen miteinander gekoppelt waren, wurde zwischen den planaren DAE- und PEDOT-Molekülketten ein neuer Polaron-Grenzflächenzustand gebildet. Die Polaronen führen effektiv neue elektronische Zustände oder Orte ein, an denen Ladungsträger untergebracht werden können. Die Besetzung dieser Zustände trägt zu einer erhöhten Entropie bei, da sie die möglichen Anordnungen der Ladungsträger erweitert.

Dieser Entropieanstieg kann einen erheblichen Einfluss auf die Thermokraft (Seebeck-Koeffizient) des Materials haben. Mehr verfügbare elektronische Zustände, wie sie durch die Polaronen an der Grenzfläche bereitgestellt werden, können zu einer Erhöhung der Thermoleistung führen, indem mehr Ladungsträger am thermoelektrischen Prozess teilnehmen können.

Durch Manipulation der mit Polaronen besetzten Grenzflächenentropie in einem PEDOT:PSS-Dünnfilm mit UV-Licht-induzierter Resonanz zwischen PEDOT und Diarylethen erzielten sie eine zehnfache Thermoleistungssteigerung von 13,5 μV K-1 auf 135,4 μV K-1 bei nahezu unveränderter elektrischer Spannung Leitfähigkeit. Darüber hinaus beobachteten sie auch die erhöhte Thermokraft der so hergestellten PEDOT:PSS-xDAE-Dünnfilme in Abhängigkeit von der DAE-Konzentration und der UV-Lichtintensität.

Sie verwendeten auch Raman-Spektren, um direkte experimentelle Beweise für die Kopplung zwischen DAE und PEDOT unter UV-Modulation zu erhalten. Daher wurde die resonante Kopplung zwischen DAE und PEDOT durch die temperaturabhängige Thermokraft und Bindungsenergie durch DFT-Berechnung verifiziert.

Zusammenfassend haben sie eine direkte Manipulationsmethode für die besetzte Polaron-Grenzflächenentropie in einem PEDOT:PSS-Dünnfilm durch UV-induzierte Resonanzkopplung zwischen DAE und PEDOT entdeckt. Ihre Arbeit liefert Einblicke in die Entkopplung des Zusammenhangs zwischen der Thermokraft und der elektrischen Leitfähigkeit eines organischen thermoelektrischen Films.

Darüber hinaus bietet diese Arbeit auch einen neuen Weg zur Entwicklung des thermoelektrischen organischen Thermoelektrikums und eine einzigartige Plattform für die Kopplung von UV-Licht, Temperaturgradient und elektrischem Feld.