Technologie

Neuer Weg zu effizienten, organischen Thermoelektrika

04.04.2022 - Effiziente Modulationsdotierung von hochgeordneten organischen Halbleitern.

Handys mittels Körperwärme aufladen. Was noch wie Zukunftsmusik klingt, kann durch thermo­elektrische Bauelemente bald zur Realität werden. Denn bei der Thermo­elektrik geht es darum, Wärme in nutzbare Energie umzuwandeln. Dafür werden bisher meist anorganische Materialien verwendet, die für flexible Anwendungen nur begrenzt geeignet sind. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität, ihres geringen Gewichts und ihrer niedrigen Wärmeleit­fähigkeit haben sich organische Halbleiter als vielversprechendes Materialsystem insbesondere für flexible thermo­elektrische Anwendungen erwiesen. Effiziente Dotierung zur Erzeugung von Ladungsträgern ist der Schlüssel zu leistungs­starken organischen thermo­elektrischen Bauelementen.

Die herkömmliche Volumen­dotierung führt bei einer hohen Dotierungs­konzentration zu Störungen, die die elektrische Leit­fähigkeit einschränken. „In unserer Studie haben wir den Ansatz der Modulations­dotierung für hoch geordnete organische Dünnschichten angewandt, bei dem die Dotierstoff­verunreinigung vom Leitungskanal getrennt ist. Mit dieser Methode können wir eine hoch­effiziente Dotierung auch bei hohen Dotier­dichten erreichen, ohne den Ladungs­transport in den Dünnschichten zu beein­flussen“, sagt Shu-Jen Wang vom Institut für Angewandte Physik der TU Dresden (IAP).

Das Team um Karl Leo untersuchte den Ladungs- und thermo­elektrischen Transport in modulations­dotierten großflächigen Rubren-Dünnschichtkristallen mit unterschiedlichen Kristall­­phasen. Sie konnten zeigen, dass durch Modulations­dotierung, anders als bei konven­tioneller Volumen­dotierung, selbst bei hohen Dotierdichten stärkere Dotiereffizienzen erzielt werden können. Modulations­dotiertes ortho­rhombisches Rubren erzielt deutlich verbesserte thermo­elektrische Leistungs­faktoren. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Modulations­dotierung in Verbindung mit hochbeweglichen kristallinen organischen Halbleiter­filmen eine neuartige Strategie zur Erzielung leistungs­starker organischer Thermo­elektrika darstellt“, sagt Shen.

Der Hauptvorteil der Modulations­dotierungs­technik sei die Vermeidung der Streuung ionisierter Verunreinigungen in dem hoch geordneten undotierten Halbleiter mit schmaler Bandlücke, wodurch sowohl die Ladungsträger­konzentration als auch die Mobilität unabhängig voneinander maximiert werden könnten „Unsere Arbeit ebnet neue Wege zu flexiblen thermo­elektrischen Bauelementen, die es ermöglichen, auf elegante und effiziente Weise direkt elektrische Energie aus Wärme zu erzeugen. Wir glauben, dass unsere Arbeit weitere Unter­suchungen zu organischen Hochleistungs­thermoelektrika anregen wird, die den Ansatz der Modulations­dotierung mit beweglichen organischen Halbleitern nutzen“, sagt Leo.

TU Dresden / JOL

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