客观日本

导电性高分子热电转换性能新发现,有望实现柔性IoT电源

2020年02月28日 电子电气

日本名古屋大学研究生院工学研究科的田中久晓助教与竹延大志教授等人组成的研究团队最近发现,向导电性高分子注入电荷,在半导体变为金属状态的分界点,温度差转换为电力的性能达到最大。这项成果为IoT设备供电用柔性电源的开发开辟了新道路。

研究团队使用的是分子排列整齐、结晶性高的含硫杂环化合物——噻吩基导电性高分子(PBTTT)薄膜。利用栅极电压下向材料注入电荷的“电解质栅极法”,调节了薄膜的电荷浓度。另外,利用可进行热电转换的帕尔帖元件形成了温度差,由此在广泛范围观察数据。

导电性高分子热电转换性能新发现,有望实现柔性IoT电源

利用电解质栅极法注入电荷的示意图。在高分子薄膜上滴下含正负可动离子的电解质,通过栅极电压(Vg)将离子驱动到高分子膜内,向高分子输送电子(空穴)。S、D、G表示电极。(图片由名古屋大学提供)

实验结果显示,注入电荷后,电导率(σ)和发电性能(功率因数=PF)均提高,电导率在室温下超过每厘米600S(西门子,电导率的单位)。另外在PBTTT薄膜中首次发现,在200S附近发电性能表现出明确的峰值。

导电性高分子热电转换性能新发现,有望实现柔性IoT电源

表示热电材料性能的塞贝克系数(上)和发电性能(下)的电导率依赖性。PF表示随着金属态的形成而出现的明确峰值。(图片由名古屋大学提供)

实验表明电导率具有温度依赖性。当栅极电压的绝对值较小、电荷浓度较低时像半导体一样,电导率在低温下会降低。相反,当栅极电压较大、电荷浓度较高时,则表现出电导率在低温下增加的金属倾向。也就是说,在峰值时导电性由半导体变成了金属。

导电性高分子热电转换性能新发现,有望实现柔性IoT电源

电导率(σ)的温度依赖性(图片由名古屋大学提供)

另外,往分子排列有序的高结晶区域注入低于原来设想的电荷量实现了金属态。研究团队预测,如果改良元件设计,就有望以少量电荷实现高发电性能。团队计划将来开发具备高发电性能的柔性热电转换材料和元件,以人体为热源为IoT设备供应微量电力。

北海道大学电子科学研究所的太田裕道教授和产业技术综合研究所的下位幸弘研究组长也参与了研究。相关研究论文已在线发表于美国科学期刊《Science Advances》上。

日文发布全文

日文:JST Science Portal
中文:JST客观日本编辑部翻译

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