Können Sie sich vorstellen, Ihr Handy aufzuladen, indem Sie einfach Ihre Körperwärme nutzen? Es mag noch ziemlich futuristisch klingen, aber Thermoelektrik kann es. Bei der Thermoelektrik geht es darum, Wärme in nutzbare Energie umzuwandeln, meist unter Verwendung anorganischer Materialien.
Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität, ihres geringen Gewichts und ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit haben sich organische Halbleiter als vielversprechendes Materialsystem insbesondere für flexible thermoelektrische Anwendungen herausgestellt. Effizientes Dotieren zur Erzeugung von Ladungsträgern ist der Schlüssel zur Leistung thermoelektrischer Bauelemente. Herkömmliches Bulk-Dotieren führt typischerweise bei hoher Dotierkonzentration zu einer Störung, die die elektrische Leitfähigkeit begrenzt.
„In unserer Studie haben wir den Modulationsdotierungsansatz für hochgeordnete organische Dünnschichten verwendet, bei dem die Dotierungsverunreinigung vom Leitungskanal getrennt ist. Mit dieser Methode können wir selbst bei hohen Dotierungsdichten eine hocheffiziente Dotierung erreichen, ohne die zu beeinflussen Ladungstransport in den dünnen Schichten“, erklärt Erstautorin Dr. Shu-Jen Wang vom Institut für Angewandte Physik der TU Dresden.
Das Team um Prof. Karl Leo untersuchte Ladung und thermoelektrischen Transport in modulationsdotierten großflächigen Rubren-Dünnschichtkristallen mit unterschiedlichen Kristallphasen. Sie konnten zeigen, dass durch Modulationsdotierung auch bei hohen Dotierungsdichten überlegene Dotierungseffizienzen erreicht werden können, wenn herkömmliche Bulk-Dotierung in den Reservebereich gerät. Modulationsdotiertes orthorhombisches Rubren erzielt stark verbesserte thermoelektrische Leistungsfaktoren.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Modulationsdotierung zusammen mit hochmobilen kristallinen organischen Halbleiterfilmen eine neuartige Strategie zur Erzielung hochleistungsfähiger organischer Thermoelektrika ist. Der Hauptvorteil der Modulationsdotierungstechnik ist die Vermeidung der Streuung ionisierter Verunreinigungen in der hochgeordneten undotierten schmalen Bandlücke Halbleiter, der eine unabhängige Maximierung der Ladungsträgerkonzentration und -mobilität ermöglicht“, erklärt Shu-Jen Wang.
Prof. Karl Leo fügt hinzu, dass ihre „Arbeit neue Wege ebnet, um flexible thermoelektrische Geräte zu erreichen, die es ermöglichen, auf elegante und effiziente Weise direkt elektrische Energie aus Wärme zu erzeugen. Wir glauben, dass unsere Arbeit weitere Arbeiten an organischen Hochleistungs-Thermoelektrika unter Verwendung der Modulation anregen wird.“ Dotierungsansatz mit hochmobilen organischen Halbleitern.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
Shu-Jen Wang et al., Hocheffiziente Modulationsdotierung: Ein Weg zu überlegenen organischen thermoelektrischen Bauelementen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl9264