A ferramenta de seleção de solvente aumenta os dispositivos termoelétricos

Os dispositivos termoelétricos orgânicos (OTES) convertem calor residual em energia elétrica útil, mas ainda não são eficientes o suficiente para uso prático. Os pesquisadores da Kaust agora desenvolveram uma ferramenta que prevê o melhor solvente a ser usado ao processar os filmes de polímeros dos dispositivos, melhorando significativamente sua produção de potência.

O artigo é publicado no diário Materiais naturais.

“O calor residual está presente em todos os lugares: processos industriaismotores de carro, Ar condicionadoe mesmo na sua xícara de café, seria útil recuperar uma parte dessa energia na eletricidade “, diz Derya Baran, que liderou a equipe.” Queremos usar isso para melhorar a autonomia de energia dos dispositivos eletrônicos; Por exemplo, para recarregar uma bateria sem conectá -la a uma tomada de parede. “

Os dispositivos termoelétricos convencionais dependem de semicondutores inorgânicos, como o Bismuth Telluride, mas seu alto custo os restringe a aplicações de nicho. Em contraste, os OTes dependem de um filme de polímero Isso pode ser facilmente processado a partir da solução para fabricar dispositivos potencialmente mais baratos. Esses polímeros formam regiões cristalinas no filme e dispositivos alcançam o melhor desempenho quando as regiões se alinham como a carga pode se mover mais facilmente da extremidade quente para a extremidade fria do dispositivo para gerar uma corrente.

Mas o controle da orientação do polímero havia exigido anteriormente técnicas caras ou intensivas em energia. Para complicar ainda mais o desafio, o dispositivo também requer aditivos conhecidos como dopantes que adicionam cargas elétricas vitais ao polímero, mas também afetam sua cristalinidade.

Isso levou a equipe do Kaust a selecionar um solvente que ajude os polímeros a se alinhar enquanto o filme está sendo formado.

Para evitar muitos experimentos demorados com diferentes solventes, os pesquisadores criaram um modelo para prever qual solvente produziria o melhor filme de um polímero específico. O modelo inclui uma série de parâmetros que descrevem como um solvente dissolveria polímeros e dopantes, bem como o ponto de ebulição do solvente.

Essa abordagem depende de um conceito chamado anisotropia orientada por força molecular (MFDA), que explora as forças entre moléculas de solvente, dopantes e polímeros para garantir que esses componentes se juntam da maneira perfect.

“Essa ferramenta é muito útil para prever qual solvente renderizará a orientação do polímero que você precisa, ao mesmo tempo em que rastreia grandes bancos de dados de solventes. Isso economiza muito tempo e recursos sobre otimização por meio de tentativas e erros”, diz Diego Rosas Villalva, membro da equipe, atualmente baseado na Universidade da Berna, em Switzerland.

Usando o modelo, os pesquisadores pesquisaram mais de 10.000 solventes, procurando a combinação perfect para um polímero de politiofeno e três dopantes. Eles descobriram que o clorobenzeno de solvente comum maximizava a orientação desejável do polímero.

Quando eles construíram um OTE usando esta receita, ela produziu 20 vezes mais potência do que um dispositivo semelhante preparado usando um solvente chamado Ortho-Diclorobenzeno, o solvente padrão normalmente usado para construir esses dispositivos.

A abordagem MFDA pode ser aplicada a uma variedade de outros dispositivos baseados em polímeros

“A orientação é um fator muito importante para todos os dispositivos eletrônicos”, diz Baran. “Acho que outros pesquisadores usarão essa estratégia para entender como as cobranças se movem dentro de dispositivos eletrônicos orgânicos e, em seguida, para melhorar esses dispositivos”.