新技术让有机半导体热电材料效率提高70%

据美国《每日科学》网站近日报道，热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，目前的有机半导体热电材料的热电转化效率一般比较低。美国科学家最新发现了一种方法，将目前表现最好的有机半导体热电材料的效率提高了70%。研究发表在5月5日出版的《自然·材料学》杂志上。 U.[?1:v  
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现在最高效的热电材料一般由铋、碲、硒等相对来说比较少见的无机半导体组成，这些元素昂贵、易碎，而且有些还有毒。有机半导体不仅便宜、储量丰富而且轻便、坚固，但一直以来，这类热电材料在热—电转化过程中的表现差强人意。无机半导体热电材料的热电转化效率几乎是有机半导体热电材料的4倍。 ERE1XOe=D  
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科学家们一般用“性能指数”这一值来反映材料的热电转化效率。目前，在室温下，最高效的无机热电材料的“性能指数”接近1；而有机半导体热电材料的“性能指数”仅为0.25。 S24wv2Uw i  
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现在，科学家们将最好的有机半导体热电材料聚3,4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的“性能指数”提高了70%，达到0.42，为目前最好的无机半导体热电材料的一半。 kK]^q|vb6  
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PEDOT:PSS由PEDOT和PSS两种物质构成，PEDOT是EDOT（3，4-亚乙二氧噻吩单体）的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。PEDOT:PSS以前被用作有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池等设备的透明电极；也被用来做胶片等材料的防静电剂。 %!>~2=Q2*  
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科学家们一般采用掺杂这一过程来增加材料的导电能力，当朝某种材料添加搀杂剂时，掺杂剂就给主材料提供了电载体，每个添加进去的电载体都能增强原材料的导电能力。然而，当在PEDOT中掺杂PSS时，实际上只有很少量的PSS同PEDOT结合，其余的PSS分子并没有离子化，化学活性也不强。研究人员发现，这些过量的PSS分子会显著抑制PEDOT:PSS的导电能力和热电性能。 bS9<LQ*  
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该研究的领导者、密歇根大学机械工程、电子工程和计算机副教授凯文·派普表示：“不活跃的PSS分子会进一步将PEDOT分子推开，使电子更难在PEDOT分子之间跳跃。离子化的PSS分子会提高PEDOT:PSS的导电性，而没有离子化的PSS分子则会降低其导电性。” _(q|W3  
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为了提高PEDOT:PSS的热电效率，科学家们在纳米尺度对这种材料的结构进行了调整，也使用了一些溶剂将那些未被离子化的PSS分子从该材料中移走，从而显著提高了其导电能力和热电转化效率。 >9S@:?^&q>  
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这种特殊的有机热电材料将在温度达到250华氏度（约121摄氏度）时开始工作。派普表示：“最新技术有望让我们制造出一种柔性薄片，能包裹某个热物体来发电或者制冷。”