Органические термоэлектрические устройства (ОТЭУ) преобразуют тепловые отходы в полезную электроэнергию, но пока их эффективность недостаточно высока для практического использования. Исследователи из KAUST разработали инструмент, который предсказывает оптимальный растворитель для обработки полимерных плёнок в этих устройствах, что значительно улучшает их выходную мощность.
Статья [опубликована](https://www.nature.com/articles/s41563-025-02207-9) в журнале Nature Materials.
«Тепловые отходы присутствуют повсюду: в промышленных процессах, автомобильных двигателях, кондиционерах и даже в вашей чашке кофе, поэтому было бы полезно преобразовать часть этой энергии в электричество», — говорит Дерья Баран, возглавлявшая команду. «Мы хотим использовать это для повышения энергетической автономности электронных устройств; например, для подзарядки батареи без подключения к розетке».
Обычные термоэлектрические устройства основаны на неорганических полупроводниках, таких как теллурид висмута, но их высокая стоимость ограничивает их применение. В отличие от них, ОТЭУ используют полимерную плёнку, которую можно легко обработать из раствора для создания потенциально более дешёвых устройств. Эти полимеры образуют кристаллические области в плёнке, и устройства достигают наилучших характеристик, когда области выстраиваются ребром к ребру, поскольку заряд может легче перемещаться от горячего конца к холодному для генерации тока.
Однако ранее для контроля ориентации полимера требовались дорогостоящие или энергоёмкие методы. Чтобы усложнить задачу, устройству также требуются добавки, известные как легирующие примеси, которые добавляют полимеру жизненно важные электрические заряды, но также влияют на его кристалличность.
Это привело команду KAUST к выбору растворителя, который помогает полимерам выравниваться во время формирования плёнки.
Чтобы избежать множества трудоёмких экспериментов с различными растворителями, исследователи создали модель для прогнозирования того, какой растворитель даст наилучшую плёнку из конкретного полимера. Модель включает ряд параметров, описывающих, насколько хорошо растворитель растворяет полимеры и легирующие примеси, а также температуру кипения растворителя.
Этот подход основан на концепции, называемой анизотропией, управляемой молекулярными силами (MFDA), которая использует силы между молекулами растворителя, легирующими примесями и полимерами, чтобы обеспечить оптимальное расположение этих компонентов.
«Этот инструмент очень полезен для прогнозирования того, какой растворитель обеспечит необходимую ориентацию полимера при просмотре больших баз данных растворителей. Это экономит много времени и ресурсов на оптимизацию методом проб и ошибок», — говорит член команды Диего Росас Виллальва, в настоящее время работающий в Университете Берна в Швейцарии.
Используя модель, исследователи изучили более 10 000 растворителей в поисках идеального соответствия для политиофенового полимера и трёх легирующих примесей. Они обнаружили, что обычный растворитель хлорбензол максимально увеличил желаемую ориентацию полимера «ребро к ребру».
Когда они создали ОТЭУ по этому рецепту, оно произвело в 20 раз больше мощности, чем аналогичное устройство, изготовленное с использованием растворителя орто-дихлорбензола, стандартного растворителя, обычно используемого для создания таких устройств.
Подход MFDA может быть применён к ряду других устройств на основе полимеров.
«Ориентация — очень важный фактор для каждого электронного устройства», — говорит Баран. «Я думаю, что другие исследователи будут использовать эту стратегию, чтобы понять, как заряды перемещаются внутри органических электронных устройств, и затем усовершенствовать эти устройства».
Предоставлено [King Abdullah University of Science and Technology](https://phys.org/partners/king-abdullah-university-of-science-and-technology/)