Improving the performance of organic thermoelectrics

En l'actual era de la Internet de les Coses (de l'anglès, IOT), els dispositius de detecció intel·ligents estan canviant molt el món en què vivim, des de com percebem el nostre entorn fins a com gastem l'energia. Fonts d'energia per a aquests dispositius seran essencials, especialment si no requereixen manteniment, són flexibles, barates, altament processable o fins i tot d'un sol ús. Els materials termoelèctrics orgànics --- semiconductors que poden transformar la calor en electricitat --- poden complir aquestes característiques. No obstant això, en els materials d'última generació encara hi ha aspectes que necessiten ser millorats; com el rendiment termoelèctric, estimat mitjançant la figura de mèrit ZT i l'estabilitat termoelèctrica sota continu estrès tèrmic. Aquesta tesi informa sobre estratègies per millorar l'eficiència i estabilitat termoelèctriques. Com a sistema de referència fem servir PBTTT dopat amb l'acceptor molecular F4TCNQ. Com a eina transversal per als nostres estudis, desenvolupem mètodes de fabricació i caracterització d'alt rendiment basats en gradients de tractament tèrmic, dopat i gruix per estudiar i correlacionar la relació entre la microestructura, les propietats termoelèctriques i l'estabilitat en una gran quantitat de mostres. A la primera secció de resultats proposem una estratègia per millorar l'estabilitat termoelèctrica. Hem demostrat que la formació de complexos de càrrega (CTC per les seves sigles en anglès) generen mostres tèrmicament més resistents, encara que elèctricament menys conductores. Al desenvolupar un mètode per ajustar la relació de transferència de càrrega parcial a una transferència completa, podem millorar l'estabilitat a llarg termini sense sacrificar la conductivitat elèctrica. La segona secció de resultats aborda la relació entre la cristal·linitat, el transport tèrmic i el transport elèctric. Hem demostrat que el grau de cristal·linitat determina en gran mesura la conductivitat tèrmica de capa fina de polímer. U
En la actual era de la Internet de las Cosas (del inglés, IoT), los dispositivos de detección inteligentes están cambiando mucho del mundo en el que vivimos, desde cómo percibimos nuestro entorno hasta cómo gastamos la energía. Fuentes de energía para tales dispositivos serán esenciales, especialmente si no requieren mantenimiento, son flexibles, baratas, altamente procesable o incluso desechables. Los materiales termoeléctricos orgánicos --- semiconductores que pueden transformar el calor en electricidad --- pueden cumplir estas características. Sin embargo, en los materiales de última generación todavía hay aspectos que necesitan ser mejorados; como el rendimiento termoeléctrico, estimado mediante la figura de mérito ZT y la estabilidad termoeléctrica bajo continuo estrés térmico. Esta tesis informa sobre estrategias para mejorar la eficiencia y estabilidad termoeléctricas. Como sistema de referencia empleamos PBTTT dopado con el aceptor molecular F4TCNQ. Como herramienta transversal para nuestros estudios, desarrollamos métodos de fabricación y caracterización de alto rendimiento basados en gradientes de tratamiento térmico, dopado y espesor para estudiar y correlacionar la relación entre la microestructura, las propiedades termoeléctricas y la estabilidad en una gran cantidad de muestras. En la primera sección de resultados proponemos una estrategia para mejorar la estabilidad termoeléctrica. Demostramos que la formación de complejos de carga (CTC) generan muestras térmicamente más resistentes, aunque menos eléctricamente menos conductora. Al desarrollar un método para ajustar la relación de transferencia de carga parcial a entera, podemos mejorar la estabilidad a largo plazo sin sacrificar la conductividad eléctrica. La segunda sección de resultados aborda la relación entre cristalinidad, transporte térmico y eléctrico. Demostramos que el grado de cristalinidad determina en gran medida la conductividad térmica de capa fina de polímero. Tras dopar, incluso un co
In the current Internet of Things (IoT) era, smart sensing-devices are changing much about the world we live in, from how we sense our surroundings to the way we spend energy. On-site power generators for such devices will be essential, especially if they are maintenance-free, flexible, cheap, printable, or even disposable. Organic thermoelectric materials --- semiconductors that can transform heat into electricity at near-room temperature --- can fulfill these characteristics. Nevertheless, there are still issues in the current state-of-the-art materials that need improvement, such as the thermoelectric performance, benchmarked by the dimensionless ZT, and the thermoelectric stability under continuous thermal stress. This thesis reports on strategies to improve thermoelectric efficiency and stability. As a testbed material system, we employ PBTTT doped with the molecular acceptor F4TCNQ. As a transversal tool for our studies, we developed high-throughput fabrication and characterization methods based on annealing-, doping- and thickness-gradients to study and correlate the relationship between microstructure, thermoelectric properties, and stability for many samples. The first set of results reports on a strategy to improve thermoelectric stability. We demonstrate that the formation of charge transfer complexes (CTCs) leads to more thermally enduring samples, although less electrically conductive. By developing a method to adjust the partial to integer charge-transfer ratio, we can improve the long-term stability without sacrificing the electrical conductivity. The subsequent chapter centers on the relationship between crystallinity and thermal and electric transport. We demonstrate that the degree of crystallinity largely determines the thermal conductivity of the film. Upon doping, even a relatively small dopant content increases the electrical conductivity several orders of magnitude but lowers the thermal conductivity without noticeable deterioration in the cry
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials