Bringing Conducting Polymers to High Order: Toward Conductivities beyond 105 S cm−1 and Thermoelectric Power Factors of 2 mW m−1 K−2

塞贝克系数 材料科学 聚乙炔 热电效应 聚合物 掺杂剂 兴奋剂 导电聚合物 噻吩 凝聚态物理 光电子学 有机化学 热导率 复合材料 热力学 物理 化学
作者
Vishnu Vijayakumar,Yuhan Zhong,Viktoriia Untilova,Mounib Bahri,Laurent Herrmann,Laure Biniek,Nicolas Leclerc,Martin Brinkmann
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:9 (24) 被引量:163
标识
DOI:10.1002/aenm.201900266
摘要

Abstract Here, an effective design strategy of polymer thermoelectric materials based on structural control in doped polymer semiconductors is presented. The strategy is illustrated for two archetypical polythiophenes, e.g., poly(2,5‐bis(3‐dodecyl‐2‐thienyl)thieno[3,2‐ b ]thiophene) (C 12 ‐PBTTT) and regioregular poly(3‐hexylthiophene) (P3HT). FeCl 3 doping of aligned films results in charge conductivities up to 2 × 10 5 S cm −1 and metallic‐like thermopowers similar to iodine‐doped polyacetylene. The films are almost optically transparent and show strongly polarized near‐infrared polaronic bands (dichroic ratio >10). The comparative study of structure–property correlations in P3HT and C 12 ‐PBTTT identifies three conditions to obtain conductivities beyond 10 5 S cm −1 : i) achieve high in‐plane orientation of conjugated polymers with high persistence length; ii) ensure uniform chain oxidation of the polymer backbones by regular intercalation of dopant molecules in the polymer structure without disrupting alignment of π‐stacked layers; and iii) maintain a percolating nanomorphology along the chain direction. The highly anisotropic conducting polymer films are ideal model systems to investigate the correlations between thermopower S and charge conductivity σ. A scaling law S ∝ σ −1/4 prevails along the chain direction, but a different S ∝ −ln(σ) relation is observed perpendicular to the chains, suggesting different charge transport mechanisms. The simultaneous increase of charge conductivity and thermopower along the chain direction results in a substantial improvement of thermoelectric power factors up to 2 mW m −1 K −2 in C 12 ‐PBTTT.
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