Please wait a minute...

Frontiers of Optoelectronics

Front. Optoelectron.    2017, Vol. 10 Issue (2) : 117-123     DOI: 10.1007/s12200-017-0712-x
Fabricate organic thermoelectric modules use modified PCBM and PEDOT:PSS materials
Feng GAO, Yuchun LIU, Yan XIONG, Ping WU, Bin HU, Ling XU()
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Download: PDF(273 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks

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)     
Corresponding Authors: Ling XU   
Just Accepted Date: 27 May 2017   Online First Date: 19 June 2017    Issue Date: 05 July 2017
 Cite this article:   
Feng GAO,Yuchun LIU,Yan XIONG, et al. Fabricate organic thermoelectric modules use modified PCBM and PEDOT:PSS materials[J]. Front. Optoelectron., 2017, 10(2): 117-123.
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Feng GAO
Yuchun LIU
Ping WU
Bin HU
Ling XU
AOB and N-DMBI-co-doped PCBM2±0.1−500±51±0.25
Tab.1  Electrical conductivity, Seebeck coefficient, and power factor (PF) of modified PEDOT:PSS and PCBM at room temperature
Fig.1  Seebeck coefficient (a) and electrical conductivity (b) after doping with AOB, N-DMBI, and combined AOB and N-DMBI. Samples doped with AOB and N-DMBI were fabricated by thermal evaporation at varying doping molar ratios (MR) (from 0.07 to 0.7). (c) and (d) Performance stability tests of AOB and N-DMBI-doped PCBM samples. Samples were exposed to room air or nitrogen environment condition. Doping MR is 0.11
Fig.2  (a) Schematic diagram of p- and n-type organic TE devices structure in heating conditions: ITO/PEDOT:PSS/Au+ ITO/PCBM/Al thermocouple device and (b) TE module schematic diagram
Fig.3  Output voltage and short-circuit current of (a) single p-and n-type thermocouple devices under various temperatures; (b) thermocouple modules device under various hot-side temperatures
Fig.4  (a) Useful power output of PEDOT:PSS and PCBM thermocouple devices with various resistance loads were measured at hot-side temperature of 373 and 453 K, respectively. Temperature differences reached 50 and 75 K, respectively. (b) Maximum output power per area of PEDOT:PSS/PCBM TEGs consisting of 48 thermocouples legs. (Matrix packing density defined as the area occupied by legs over total area of TEG of 0.48). Extrapolated limit power output for packing density of 0.94 is plotted with a dashed line
Fig.5  Output power stability of TE device with hot-side temperature of 373 K and temperature difference of 50 K
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
doi: 10.1038/35098012 pmid: 11595940
2 Zhao D, Tan G. A review of thermoelectric cooling: materials, modeling and applications. Applied Thermal Engineering, 2014, 66(1-2): 15–24
doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074
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
doi: 10.1126/science.aad3749
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
doi: 10.1002/adma.201101634 pmid: 21809396
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
doi: 10.1021/nl103003d pmid: 21133353
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
doi: 10.1038/nmat3012 pmid: 21532583
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
doi: 10.1039/c2ee23006b
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
doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.09.070
9 Bubnova O, Crispin X. Towards polymer-based organic thermoelectric generators. Energy & Environmental Science, 2012, 5(11): 9345–9362
doi: 10.1039/c2ee22777k
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
doi: 10.1021/ja305188r pmid: 23016795
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
doi: 10.1039/c2ee22124a
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
doi: 10.1039/c2ee22838f
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
doi: 10.1038/nnano.2010.27 pmid: 20208547
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
doi: 10.1039/C5NR90020D pmid: 25668105
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
doi: 10.1002/pen.760120308
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
doi: 10.1021/nl102880k pmid: 20923178
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
doi: 10.1021/nn202868a pmid: 21899362
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
doi: 10.1038/nmat3824 pmid: 24317188
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
doi: 10.1039/c4ta01012d
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
doi: 10.1016/j.compositesa.2005.07.006
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
doi: 10.1038/nature04969 pmid: 16855586
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
doi: 10.1063/1.1506397
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
doi: 10.1002/adma.201405738 pmid: 25845976
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
doi: 10.3390/ma8020732
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
doi: 10.1038/srep18805 pmid: 26728992
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
doi: 10.1002/adma.201304866 pmid: 24448874
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
doi: 10.1002/adma.201306116 pmid: 24633973
29 Dang M T, Hirsch L, Wantz G. P3HT:PCBM, best seller in polymer photovoltaic research. Advanced Materials, 2011, 23(31): 3597–3602
doi: 10.1002/adma.201100792 pmid: 21936074
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
doi: 10.1021/nl103482n pmid: 21174440
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
doi: 10.1039/C4EE01216J
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 
doi: 10.1021/jp409216e
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 
doi: 10.1007/s40843-015-0102-x
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
doi: 10.1063/1.3689778
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
doi: 10.1016/j.orgel.2010.07.016
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
doi: 10.1038/ncomms1545 pmid: 22086341
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
doi: 10.1002/adma.201300267 pmid: 23616236
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
doi: 10.1016/j.orgel.2012.09.024
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
doi: 10.1063/1.2219374
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
doi: 10.1002/anie.200701920 pmid: 18357603
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
doi: 10.1002/adma.201201502 pmid: 22865814
Full text