《JMCA》高塞贝克系数和功率因子的热电高分子薄膜学术资讯

来源：材料科学前沿

随着人们对能源需求和控制环境污染的不断增长，发展环境友好的可再生能源对缓解能源危机具有重要意义。其中，热电材料通常被认为是绿色能源，因为它可以将废热能直接转换为电能。近期，新加坡国立大学欧阳建勇教授课题组设计了一种具有高塞贝克系数和功率因子的热电高分子薄膜。该薄膜基于能量过滤效应设计，通过两性离子分子层（Rhodamine 101）的作用，可将聚合物薄膜（PEDOT:PSS）的塞贝克系数提升至47.2 μV K-1，从而功率因子可达401.2 μW m-1 K-2, 这是目前固态薄膜的功率因子最高值，对未来实际应用具有重要意义。而且，他们提出了表面能量过滤的新机理。对于发展高性能的热点材料有很好的指导意义。

图1. A. B为PEDOT:PSS和Rhodamine101 的化学结构式。C. D为通过两性离子作用后固态薄膜的热电性能。

两性离子分子由于其较大的偶极矩，常用来调节电子材料表面的功函数。本文利用两性离子分子在高分子薄膜表面形成了表面偶极矩和界面偶极矩。表面偶极矩是由于两性离子分子在界面的排列形成，而界面偶极矩由于质子在两性离子分子和PEDOT：PSS的转移而产生。当高分子薄膜层未涂附两性离子分子时，所有能量较高或在费米能附近的载流子都能传输。当涂附两性离子分子后，表面偶极矩和界面偶极矩通过形成势垒来干扰载流子的传输，只有能量更高的载流子才能通过能量势垒，从而形成能量过滤效应。因此，在冷端累积的载流子将具有更高的平均能量，从而产生更高的塞贝克系数和功率因子。计算结果也表明，两性离子分子改变了载流子在高分子薄膜中的均匀分布，较大的偶极矩使载流子在沿着链的导电和绝缘区之间形成了较大的势垒和陷阱，从而实现了能量过滤效应。

图2.A.表面能量过滤效应机理示意图。B. 两性离子在高分子薄膜上的静电势计算。

欧阳建勇教授是该工作的通讯作者，管鑫博士是该工作的第一作者。

参考文献：Xin Guan, Erol Yildirim, Zeng Fan, Wanheng Lu, Bichen Li,Kaiyang Zeng, Shuo-Wang Yang and Jianyong Ouyang. Thermoelectric Polymer Filmswith Significantly High Seebeck Coefficient and Thermoelectric Power Factorthrough Surface Energy Filtering. Journal of Materials Chemistry A,https://doi.org/10.1039/D0TA05324D.

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