用于收集太阳能实现自供电的高效一体化光热电转换的自支撑PEDOT: PSS薄膜

唐小红，金鑫铮，张琪，赵倩，杨振宇，傅强^*

     因为大量的能源在使用后作为废热释放出来，巨大的浪费和能源短缺不容忽视。太阳能发电机作为一种新型的环保资源，可以将太阳能直接转化为电能。然而，目前的太阳能发电技术——光伏发电主要利用紫外线和可见光区域，导致红外(IR)区域(~51.3%)被大量浪费。因此，提高太阳能在红外区域的利用可以显著提高能源利用率。近年来，利用光热电(PTE)效应将光能依次转化为热能和电能的太阳能热电发电机(STEG)因其体积小、重量轻、无噪声、无需外部装置等优点而受到广泛关注，既充分利用了太阳能，又提高周边环境余热的利用率。目前使用的大多数STEG都是异质异步(先将光能转化为热能，然后再转化为电能)，由太阳能吸收器、无机热电材料和热管理材料组装而成。然而，高成本、劳动密集的准备和恶劣的工作环境严重限制其进一步的应用。因此，对于低成本、易于制造且具有一体化PTE性能的材料的需求非常大。

      聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT: PSS)因其独特的一体化光热电效应在太阳能发电领域受到广泛关注。但光热转换性能差，电导率低，机械性能不理想，限制了其实际应用。本文首先使用离子液体(IL)通过离子交换提高PEDOT: PSS的导电性，然后添加表面带电的纳米SiO₂-NH₂ (SiO₂⁺)促进IL的分散，并作为绝缘体降低导热系数。这使得PEDOT: PSS的导电性大大提高，同时导热性降低。所制得的PEDOT: PSS/IL/SiO₂⁺ (P_IL_SiO₂⁺)薄膜光热转化率为46.15 ℃，比PEDOT: PSS和PEDOT: PSS/IL(P_IL)复合材料分别提高了~134%和~82.3%。此外，其热电性能比P_IL膜提高了~270%。最终，获得的自支撑三臂器件的光热电效应产生巨大的输出电流和功率，分别为~50 µA和13.57 nW，与文献中报道的其他PEDOT: PSS薄膜相比，有了显著的提高。此外，该器件在2000次弯曲循环后表现出出色的稳定性，内阻变化小于5%。我们认为这种策略为柔性、高性能、一体化光热电的集成提供了重要见解。

图1 (a) PEDOT: PSS/IL/SiO₂⁺薄膜的制备示意图。(b)茚三酮与SiO₂和SiO₂⁺混合溶液的光学照片。(c) SiO2和SiO₂⁺的TGA曲线和(d) zeta电位。

图2 PEDOT: PSS、P_IL和P_IL_SiO₂⁺复合材料的AFM图像和POM图像。

图3 PEDOT:PSS、P_IL和P_IL_SiO₂⁺薄膜的结构演变和形貌变化。

图4 混合溶液中PEDOT: PSS、IL和SiO₂⁺相互作用的机理图。

图5 PEDOT:PSS、P_IL和P_IL_SiO₂⁺薄膜的热电性能。

图6 PEDOT:PSS、P_IL和P_IL_SiO₂⁺薄膜的光热性能。

图7 制备的三臂器件的光热电转化情况。

      相关成果以“Achieving Free-Standing PEDOT: PSS Solar Generators with Efficient All-in-One Photothermoelectric Conversion.”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。文章第一作者为四川大学高分子科学与工程学院博士研究生唐小红，通讯作者为傅强教授。

DOI: 10.1021/acsami.3c02852

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c02852