盐、碱试剂处理对PEDOT:PSS薄膜热电性能的影响

来源 :江西科技师范大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:hualidewushi
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能源是人类社会发展以及工业生产不可缺少的推动力,但是近年来,随着环境污染和能源短缺问题的日趋严重,开发与利用环境友好型清洁能源已经成为了新世纪保持经济与社会可持续发展的重要途径之一。热电材料作为一种绿色功能转换材料,可以直接实现热能和电能的相互转换,实现废热充分利用和能源节约的前提下同时实现环境零污染,其已广泛用于发电与制冷方面。与传统无机热电材料不同,导电高分子热电材料具有质量轻、弹性好、易加工且资源丰富等诸多优点、特别是热导率显著低于无机材料,因此,导电高分子热电材料具有非常重要的潜在研究价值。聚(3,4-二氧乙撑噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)是当今应用研究最广泛的导电高分子,其具有很多突出的优点包括良好的成膜性能、较低的热导率、较好的环境稳定性、以及易调控的电导率等,被视为颇具潜力的有机热电材料。然而,与无机热电材料取得的热电优值相比,PEDOT:PSS的ZT值仍较低,不利于实际应用,这主要是由于其较低的Seebeck系数与原始态非常低的电导率所致。多年来为了提高PEDOT:PSS的热电性能,科研工作者们做了不懈的努力。掺杂与去掺杂效应对载流子迁移率与PEDOT链的氧化还原水平有重要影响,并以此调控与优化电导率与Seebeck系数,在改善PEDOT:PSS热电性能方面发挥着重要作用。因此,选取合适有效的掺杂与去掺杂试剂对PEDOT:PSS进行处理可以有效优化电导率与Seebeck系数,从而实现热电性能的提高。本文选取了不同基于盐、碱的化学试剂对PEDOT:PSS进行预处理或者后处理,并系统地测试和分析了其热电性能。1.以不同阴离子锂盐预处理PEDOT:PSS溶液,滴涂法制备PEDOT:PSS薄膜,并研究了其热电性能。研究发现,不同锂盐处理对PEDOT:PSS薄膜热电性能产生不同影响,其中LiClO4掺杂的PEDOT:PSS薄膜电导率最高,达522 S cm-1,是原始薄膜的2610倍。其他锂盐如Li2SO4、LiNO3也可以显著提高薄膜电导率,而LiCl与Li B(C2O42则效果不佳。LiClO4掺杂的PEDOT:PSS有最大功率因子为1.53μW m-1 K-2。薄膜电导率的显著提高是由于盐处理使PEDOT导电链从卷曲构象变为线性构象以及绝缘PSS的减少。2.以DMSO与LiClO4为掺杂剂对PEDOT:PSS溶液进行二元二次掺杂,滴涂法制备PEDOT:PSS薄膜,并研究了其热电性能。研究发现,单纯DMSO掺杂后薄膜电导率从0.3 S cm-1增加到437 S cm-1,继续添加LiClO4后薄膜电导率进一步提高到950 S cm-1,是原始薄膜的3000倍,这表明两种掺杂剂对电导率的提高发挥了协同效应。二元二次掺杂后,薄膜的最大功率因子为8.25μW m-1K-2。薄膜电导率的显著提高是由于有机溶剂与盐的结合处理引入了协同掺杂效应,即PEDOT与PSS之间的引力的削弱以及PEDOT链构象的改变。3.以低共熔溶剂(DES=ChCl/EG)为添加剂或表面处理试剂对PEDOT:PSS溶液或薄膜进行掺杂处理,并研究了其热电性能。研究发现,DES溶剂加入法能够同时提高薄膜的电导率与Seebeck系数,最优值分别为70 S cm-1与29.1μV K-1,其中Seebeck系数比原始薄膜增大一倍。DES后处理比加入法更能有效提高电导率,最大值为620.6 S cm-1,同时Seebeck系数也得到改善。DES后处理薄膜有最大功率因子为24.08μW m-1 K-2。DES处理同时引入了掺杂与化学去掺杂效应,这是电导率与Seebeck系数同时改善的原因。4.以低共熔溶剂(DES=ChCl/Urea)及DMSO/DES混合试剂为表面处理试剂分别对PEDOT:PSS薄膜进行热后处理,并研究了其热电性能。研究发现,DES热后处理能够同时改善薄膜电导率与Seebeck系数,且温度越高,效果越好,最优电导率与Seebeck系数分别为85.6 cm-1与30.1μV K-1,其中Seebeck系数比原始薄膜增大一倍。当DMSO/DES混合试剂后处理,通过改变混合比例,得到的最优化电导率与Seebeck系数分别为424.2 cm-1与24.4μV K-1,在电导率提高的同时,Seebeck系数也高于原始薄膜。DMSO/DES混合试剂后处理,薄膜有最大功率因子为25.26μW m-1 K-2。DES以及DMSO/DES试剂后处理同时引入了掺杂与化学去掺杂效应,这是电导率与Seebeck系数同时改善的原因。5.以DMSO/NaOH(乙醇)溶液混合试剂为表面处理试剂对PEDOT:PSS薄膜进行热后处理,并研究了其热电性能。研究发现,混合试剂后处理相比于原始薄膜能够同时优化薄膜的电导率与Seebeck系数。通过改变DMSO与NaOH乙醇溶液之间的比例,电导率由837.2 S cm-1变化到0.04 S cm-1,相应的Seebeck系数由12.6μV K-1变化到54.8μV K-1;两者体积比例为10:12时,薄膜有最优化功率因子为33.04μW m-1 K-2。DMSO/NaOH(乙醇)溶液混合试剂后处理同时引入了掺杂与化学去掺杂效应,这是功率因子得以显著优化的主要因素。
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