Neuer Weg zu effizienten, organischen Thermoelektrika
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
