Umwandlung von Körperwärme in Strom

Ein Schritt in Richtung organischer Hochleistungs-Thermoelektrika.

Forschende der TU Dresden stellen einen neuen Weg zu leistungsstarken organischen thermoelektrischen Bauelementen vor: hocheffiziente Modulationsdotierung von hochgeordneten organischen Halbleitern bei hohen Dotierkonzentrationen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

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“, erklärt Erstautor Dr. Shu-Jen Wang vom Institut für Angewandte Physik der TU Dresden (IAP).

Das Team um Prof. 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. Der Hauptvorteil der Modulationsdotierungstechnik ist 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 können“, erklärt Dr. Shu-Jen Wang und Prof. Karl Leo fügt hinzu: „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.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Shu-Jen Wang
Institut für Angewandte Physik (IAP)
TU Dresden
Email: shu-jen.wang@tu-dresden.de

Prof. Karl Leo
Institut für Angewandte Physik (IAP)
TU Dresden
Email: karl.leo@tu-dresden.de

Originalpublikation:

Shu-Jen Wang, Michel Panhans, Ilia Lashkov, Hans Kleemann, Federico Caglieris, David Becker-Koch, Jörn Vahland, Erjuan Guo, Shiyu Huang, Yulia Krupskaya, Yana Vaynzof, Bernd Büchner, Frank Ortmann and Karl Leo. “Highly efficient modulation doping: A path towards superior organic thermoelectric devices” Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abl9264

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