Fabricate organic thermoelectric modules use modified PCBM and PEDOT:PSS materials

Abstract

In this paper, we fabricated an organic thermoelectric (TE) device with modified [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS); the device showed good stability in air condition. For n-leg, PCBM were doped with acridine orange base (3,6-bis(dimethylamino)acridine) (AOB) and 1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole (N-DMBI). Co-doped PCBM utilizes synergistic effects of AOB and N-DMBI, resulting in excellent electrical conductivity and Seebeck coefficient values reaching 2 S/cm and -500 mV/K, respectively, at room temperature with dopant molar ratio of 0.11. P-type leg used modified PEDOT:PSS. Based on modified PCBM and PEDOT:PSS materials, we fabricated a TE module device with 48 p-type and n-type thermocouple and tested their output voltage, short current, and power. Output voltage measured ~0.82 V, and generated power reached almost 945 mW with 75 K temperature gradient at 453 K hot-side temperature. These promising results showed potential of modified PEDOT and PCBM as TE materials for application in device optimization.

Keywords

organic thermoelectric generator / thermocouple / poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) / [6.6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester (PCBM)

References

[1] Venkatasubramanian R, Siivola E, Colpitts T, O’Quinn B. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature, 2001, 413(6856): 597–602

[2] Zhao D, Tan G. A review of thermoelectric cooling: materials, modeling and applications. Applied Thermal Engineering, 2014, 66(1-2): 15–24

[3] Zhao L D, Tan G J, Hao S Q, He J Q, Pei Y, Chi H, Wang H, Gong S, Xu H, Dravid V P, Uher C, Snyder G J, Wolverton C, Kanatzidis M G. Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole doped single-crystal SnSe. Science, 2016, 351(6269): 141–144

[4] Yan L, Shao M, Wang H, Dudis D, Urbas A, Hu B. High Seebeck effects from hybrid metal/polymer/metal thin-film devices. Advanced Materials, 2011, 23(35): 4120–4124

[5] Taggart D K, Yang Y, Kung S C, McIntire T M, Penner R M. Enhanced thermoelectric metrics in ultra-long electrodeposited PEDOT nanowires. Nano Letters, 2011, 11(1): 125–131

[6] Bubnova O, Khan Z U, Malti A, Braun S, Fahlman M, Berggren M, Crispin X. Optimization of the thermoelectric figure of merit in the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Nature Materials, 2011, 10(6): 429–433

[7] Zhang Q, Sun Y M, Xu W, Zhu D B. Thermoelectric energy from flexible P3HT films doped with a ferric salt of triflimide anions. Energy & Environmental Science, 2012, 5(11): 9639–9644

[8] Ma H K, Lin C P, Wu H P, Peng C H, Hsu C C. Waste heat recovery using a thermoelectric power generation system in a biomass gasifier. Applied Thermal Engineering, 2015, 88: 274–279

[9] Bubnova O, Crispin X. Towards polymer-based organic thermoelectric generators. Energy & Environmental Science, 2012, 5(11): 9345–9362

[10] Bubnova O, Berggren M, Crispin X. Tuning the thermoelectric properties of conducting polymers in an electrochemical transistor. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(40): 16456–16459

[11] Poehler T O, Katz H E. Prospects for polymer-based thermoelectrics: state of the art and theoretical analysis. Energy & Environmental Science, 2012, 5(8): 8110–8115

[12] Jiao F, Di C A, Sun Y, Sheng P, Xu W, Zhu D B. Inkjet-printed flexible organic thin-film thermoelectric devices based on p- and n-type poly(metal 1,1,2,2-ethenetetrathiolate)s/polymer composites through ball-milling. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2014, 372(2013): 20130008

[13] Yu C, Murali A, Choi K, Ryu Y. Air-stable fabric thermoelectric modules made of N- and P-type carbon Nanotubes. Energy & Environmental Science, 2012, 5(11): 9481–9486

[14] Shen S, Henry A, Tong J, Zheng R, Chen G. Polyethylene nanofibres with very high thermal conductivities. Nature Nanotechnology, 2010, 5(4): 251–255

[15] Rojo M M, Martín J, Grauby S, Borca-Tasciuc T, Dilhaire S, Martin-Gonzalez M. Correction: Decrease in thermal conductivity in polymeric P3HT nanowires by size-reduction induced by crystal orientation: new approaches towards thermal transport engineering of organic materials. Nanoscale, 2015, 7(9): 4256–4257

[16] Hansen D, Bernier G A. Thermal conductivity of polyethylene: the effects of crystal size, density and orientation on the thermal conductivity. Polymer Engineering and Science, 1972, 12(3): 204–208

[17] See K C, Feser J P, Chen C E, Majumdar A, Urban J J, Segalman R A. Water-processable polymer-nanocrystal hybrids for thermoelectrics. Nano Letters, 2010, 10(11): 4664–4667

[18] Yu C, Choi K, Yin L, Grunlan J C. Light-weight flexible carbon nanotube based organic composites with large thermoelectric power factors. ACS Nano, 2011, 5(10): 7885–7892

[19] Bubnova O, Khan Z U, Wang H, Braun S, Evans D R, Fabretto M, Hojati-Talemi P, Dagnelund D, Arlin J B, Geerts Y H, Desbief S, Breiby D W, Andreasen J W, Lazzaroni R, Chen W M, Zozoulenko I, Fahlman M, Murphy P J, Berggren M, Crispin X. Semi-metallic polymers. Nature Materials, 2014, 13(2): 190–194

[20] Culebras M, Gómez C M, Cantarero A. Enhanced thermoelectric performance of PEDOT with different counter-ions optimized by chemical reduction. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(26): 10109–10115

[21] Lee G W, Park M, Kim J, Lee J I, Yoon H G. Enhanced thermal conductivity of polymer composites filled with hybrid filler. Composites Part A, Applied Science and Manufacturing, 2006, 37(5): 727–734

[22] Stankovich S, Dikin D A, Dommett G H B, Kohlhaas K M, Zimney E J, Stach E A, Piner R D, Nguyen S T, Ruoff R S. Graphene-based composite materials. Nature, 2006, 442(7100): 282–286

[23] Kilbride B E, Coleman J N, Fraysse J, Fournet P, Cadek M, Drury A, Hutzler S, Roth S, Blau W J. Experimental observation of scaling laws for alternating current and direct current conductivity in polymer-carbon nanotube composite thin films. Journal of Applied Physics, 2002, 92(7): 4024–4030

[24] Cho C, Stevens B, Hsu J H, Bureau R, Hagen D A, Regev O, Yu C, Grunlan J C. Completely organic multilayer thin film with thermoelectric power factor rivaling inorganic tellurides. Advanced Materials, 2015, 27(19): 2996–3001

[25] Wei Q, Mukaida M, Kirihara K, Naitoh Y, Ishida T. Recent progress on PEDOT-based thermoelectric materials. Materials (Basel), 2015, 8(2): 732–750

[26] Bae E J, Kang Y H, Jang K S, Cho S Y. Enhancement of thermoelectric properties of PEDOT: PSS and tellurium-PEDOT: PSS hybrid composites by simple chemical treatment. Scientific Reports, 2016, 6(1): 18805–18815

[27] Schlitz R A, Brunetti F G, Glaudell A M, Miller P L, Brady M A, Takacs C J, Hawker C J, Chabinyc M L. Solubility-limited extrinsic n-type doping of a high electron mobility polymer for thermoelectric applications. Advanced Materials, 2014, 26(18): 2825–2830

[28] Russ B, Robb M J, Brunetti F G, Miller P L, Perry E E, Patel S N, Ho V, Chang W B, Urban J J, Chabinyc M L, Hawker C J, Segalman R A. Power factor enhancement in solution-processed organic n-type thermoelectrics through molecular design. Advanced Materials, 2014, 26(21): 3473–3477

[29] Dang M T, Hirsch L, Wantz G. P3HT:PCBM, best seller in polymer photovoltaic research. Advanced Materials, 2011, 23(31): 3597–3602

[30] Chen D, Nakahara A, Wei D, Nordlund D, Russell T P. P3HT/PCBM bulk heterojunction organic photovoltaics: correlating efficiency and morphology. Nano Letters, 2011, 11(2): 561–567

[31] Seo J, Park S, Chan Kim Y, Jeon N J, Noh J H, Yoon S C, Seok S I. Benefits of very thin PCBM and LiF layers for solution-processed p–i–n perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 2014, 7(8): 2642–2646

[32] Ye L,  Zhang S Q,  Qian D P,  Wang Q,  Hou J H. Application of bis-PCBM in polymer solar cells with improved voltage. Journal of Physics Chemistry C, 2013, 117: 25360–25366 

[33] Ye L,   Fan B H,   Zhang S Q,   Li S S  , Yang B,   Qin Y P,   Hao Z,  Hou J H.  Perovskite-polymer hybrid solar cells with near-infrared external quantum efficiency over 40%. Science China Materials, 2015, 58: 953–960 

[34] Menke T, Ray D, Meiss J, Leo K, Riede M. In-situ conductivity and Seebeck measurements of highly efficient n-dopants in fullerene C₆₀. Applied Physics Letters, 2012, 100(9): 093304

[35] Schafferhans J, Baumann A, Wagenpfahl A, Deibel C, Dyakonov V. Oxygen doping of P3HT: PCBM blends: influence on trap states, charge carrier mobility and solar cell performance. Organic Electronics, 2010, 11(10): 1693–1700

[36] Lee H W, Yoon Y, Park S, Oh J H, Hong S, Liyanage L S, Wang H, Morishita S, Patil N, Park Y J, Park J J, Spakowitz A, Galli G, Gygi F, Wong P H, Tok J B, Kim J M, Bao Z. Selective dispersion of high purity semiconducting single-walled carbon nanotubes with regioregular poly(3-alkylthiophene)s. Nature Communications, 2011, 2: 541

[37] Gomulya W, Costanzo G D, de Carvalho E J F, Bisri S Z, Derenskyi V, Fritsch M, Fröhlich N, Allard S, Gordiichuk P, Herrmann A, Marrink S J, dos Santos M C, Scherf U, Loi M A. Semiconducting single-walled carbon nanotubes on demand by polymer wrapping. Advanced Materials, 2013, 25(21): 2948–2956

[38] Menke T, Wei P, Ray D, Kleemann H, Naab B D, Bao Z, Leo K, Riede M. A comparison of two air-stable molecular n-dopants for C₆₀. Organic Electronics, 2012, 13(12): 3319–3325

[39] Li F, Pfeiffer M, Werner A, Harada K, Leo K, Hayashi N, Seki K, Liu X, Dang X D. Acridine orange base as a dopant for n doping of C₆₀ thin films. Journal of Applied Physics, 2006, 100(2): 023716

[40] Allard S, Forster M, Souharce B, Thiem H, Scherf U. Organic semiconductors for solution-processable field-effect transistors (OFETs). Angewandte Chemie, 2008, 47(22): 4070–4098

[41] Di C A, Zhang F, Zhu D. Multi-functional integration of organic field-effect transistors (OFETs): advances and perspectives. Advanced Materials, 2013, 25(3): 313–330

[42] Rovira C. Bis(ethylenethio)tetrathiafulvalene (BET-TTF) and related dissymmetrical electron donors: from the molecule to functional molecular materials and devices (OFETs). Chemical Reviews, 2004, 104(11): 5289–5318

Acknowledgements

We acknowledge the financial support provided by the National Young Natural Science Foundation of China (Grant No. 61306067) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities in Huazhong University of Science and Technology (Nos. 2014NY009 and 2016YXMS033).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg