导电分子材料的热电性能研究

Thermoelectric (TE) materials can convert the temperature gradient into electric power and vice versa, so it can be used for improving the efficiency of fossil energy sources and reducing the green house gases emission by energy harvesting from the waste heat. Now it has been supposed to be one of the most important sustainable energy materials. Now, the most efficient TE materials are based on inorganic semiconductors. However, large-scale applications of TE devices have been limited due to the scarcity of certain components, their environmental toxicity and high cost. Organic materials have the advantages of abundant resources, easily scalable production, low-cost large area solution processible, which may extend the applications of TE devices if high performance organic TE materials could be developed. In this project we are going to study the thermoelectric properties of organic materials with high charge carrier mobilities and conductivities such as conjugated polymers, coordination polymers and small molecular semiconductors taking the advantage of their intrinsic low thermal conductivities. The effects of molecular structure, stacking structure, band structure and carrier concentration on the seebeck coefficient, conductivity and thermal conductivity will be explored. The relationship between the composition, structure of organic materials and their thermoelectric performance will be explored to get general principle guiding the organic TE materials development. We expect to get 1 or 2 high performance organic TE materials (with ZT>0.1) with the mechanism to be clarified.

热电材料可将温差直接转换为电能，可实现废热发电以提高化石能源的利用效率、减少温室气体排放，是重要的支持人类可持续发展的能源材料。目前高效的热电材料主要基于无机半导体材料，由于无机热电材料其部分组成元素稀缺、环境毒性、造价昂贵等问题限制了其大规模的应用。有机材料组成元素来源广泛、易实现大批量合成的特点，可实现低成本的溶液加工和廉价的大面积的热电器件的制备，对于突破无机热电材料大规模化应用瓶颈具有重要意义。本项目将充分利用有机材料低热导率特性，选取具有较高载流子迁移率、高电导率的共轭聚合物、金属配位化合物、共轭小分子等材料，研究其分子结构、聚集态结构、能带结构、载流子浓度等对电导、塞贝克系数、导热系数的影响，系统研究材料组成、结构等与热电性能的关系，并总结相关的规律以指导进一步的材料的设计与合成，预期发现1-2种具有高热电性能的有机材料体系（ZT>0.1），并阐明其相关的机理。

能源危机和温室效应是当今世界关注的焦点问题之一，热电效应因其在热能转换和绿色制冷方面广阔的应用前景引起了产业界和科学界的广泛兴趣。最近，针对有机热电材料的研究方兴未艾，有机功能分子有望成为轻便、柔性、廉价、高效的热电材料。发掘高性能有机热电材料体系，深入理解分子材料中的结构与热电性能之间的构效关系，将有效地推动高性能有机热电材料的研究，最终实现有机热电器件的广泛应用。. 本项目在高性能有机热电材料体系探索方面，成功开发/优化了多种高性能有机热电材料体系：基于电化学沉积成膜方法制备的poly(Ni-ett)大面积连续薄膜材料，室温热电优值达到0.3，为单一组分n型有机热电材料的最高值；开发了全新的高性能有机热电材料体系，N-DMBI掺杂的A-DCV-DPPTT，热电优值达到0.26，为n型有机小分子热电材料的最高值；首次报道了Bi掺杂的TDPPQ薄膜热电性能，最高功率因子高达113 μW m-1 K-2。与此同时，发现了第一个分子基配位聚合物超导体Cu-BHT，其超导/室温高电导特性,对于探索新的高性能有机热电材料体系具有重要意义。同时成功探索了多种优化有机热电材料体系的有效策略，对于日后的有机热电材料研究提供了重要参考和依据。通过对共轭聚合物半导体的热电性能及优化策略研究，初步建立了分子结构与热电性能的构效关系。与此同时，对有机热电材料的功能性应用进行了系统研究，成功实现基于有机热电效应的多种高效应用，如光探测器、温度-压力双参数传感器。这些研究成果不仅使有机材料的热电性能得到进一步提高，提升了有机热电材料的应用前景，也为有机热电材料研究提供了重要的数据积累和理论依据，有助于推动有机热电材料的研究迈向更光明的未来。

内容获取失败，请点击重试