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2021年11月,课题组代旭同学ACS Energy Letters文章接收
发布者: 王洪 | 2021-11-01 | 755

西安交大王洪教授团队:一体式超高分辨率无结点热电器件

 

热电材料的应用依赖于热电器件的构建,热电器件通常利用导电胶和金属将 P 型和 N 型腿串联来提高热电输出性能。然而,连接处的导电胶和金属会增加电阻和热阻并且降低热电器件的机械性能,从而降低输出功率/热电转化效率。因此制备一种无额外金属结点连接的一体式的热电器件是提高输出性能的一个重要方向。常用的制备一体式热电器件的方法如滴涂或者印刷等,由于固有的毛细效应使得单片热电器件的P-N界面难以控制。基于上述问题,西安交通大学王洪课题组采用等离子体处理的方法制备了具有高分辨率的无额外金属结点的一体式柔性热电器件,该一体式柔性热电器件在能量收集以及热电制冷方面都优于传统的热电器件。


【工作介绍】近日,西安交通大学王洪教授团队利用等离子体处理N型掺杂的碳纳米管复合材料,制备了一体式柔性热电器件,与传统π型连接的热电器件相比,一体式的柔性热电器件表现出更高的输出电压以及固态制冷效果。通过开尔文探针测试材料P-N界面,该界面的分辨率在1-2微米。采用这种制备方法有望提升热电器件的集成度进而扩展到广泛由 P-N 组成的高集成度有机电子器件中去。该文章发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters上。代旭为本文第一作者。


【内容表述】
西安交大王洪教授团队:“一体式”超高分辨率无结点热电器件

图1(a)具有传统结构的热电器件的示意图,PN腿借助金属串联而成。(b) 通过印刷/滴铸法制备的一体式热电器件。(c)利用等离子体方法创建的高分辨率的一体式热电器件。


一体式热电器件相比于传统热电器件(图1c)能够避免金属连接位置的额外金属电阻,而传统滴涂或者打印N型掺杂剂的方法,由于毛细效应的存在,难以控制P-N界面,针对上述问题,实验首先将碳纳米管进行N型掺杂,之后通过PET进行封装并预留P型转型的位置,之后对其进行氧等离子体处理除去N型掺杂剂,实现材料由N型到P型的转换,此种方法降低了金属连接电阻以及毛细效应的不利影响。

 

西安交大王洪教授团队:“一体式”超高分辨率无结点热电器件

 

图 2 (a) DMSO 渗透过程随时间变化的图像。(b) 碳纳米管表面 DMSO 溶液的接触角。(c)渗透距离随时间变化图。(d) 单腿热电装置(装置 1)的总电阻随热电腿长度变化。(e) 具有传统结构的两对 p-n 腿的热电器件的总电阻随热电腿长度的函数(装置2)。


常见有机溶剂(DMSO)与碳纳米管接触角为小于90°,并且溶液随时间在碳纳米管上逐渐扩散,因此在掺杂过程以有机溶剂掺杂构建的P-N结无法精准控制界面。我们通过转移长度测量的方法定量分析了金属连接电阻。

 

 

 

 

图 3 (a) N型掺杂 CNT 薄膜的功率因数随掺杂浓度的变化。(b)在 150 W O2 等离子体功率下,n 型 CNT 薄膜的塞贝克系数随O2 等离子体处理时间的变化。在不同O2等离子体功率下,3wt.% TPP掺杂的CNT的塞贝克系数 (c)、电导率 (d) 和功率因数 (e)随处理时间的变化。(f) 等离子体处理n型掺杂的CNT 的示意图。(g) 原始CNT和 3 wt.% TPP掺杂的CNT在用不同等离子体功率处理前后的拉曼光谱。


       经过N型掺杂剂、等离子体处理功率以及处理时间的优化。TPP掺杂的碳纳米管在150W, 2min的处理条件下,塞贝克系数由正转负,即N型碳纳米管复合材料由N型转P型, 并保留了较高的电导率以及塞贝克系数。