Faszination Technik Wie Körperwärme in Strom umgewandelt werden kann

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: flexible organische Thermoelektrika, deren Ladungsträger durch Modulationsdotierung erzeugt werden.

Handys mittels Körperwärme aufladen. Was noch wie Zukunftsmusik klingt, kann durch thermoelektrische Bauelemente bald zur Realität werden. Denn bei der Thermoelektrik geht es darum, Wärme in nutzbare Energie umzuwandeln. Dafür werden bisher meist anorganische Materialien verwendet, die aber für bewegliche Anwendungen nur begrenzt geeignet sind. Forschende der TU Dresden stellen nun einen Weg zu flexiblen leistungsstarken organischen thermoelektrischen Bauelementen vor. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Modulationsdotierung organischer Halbleiter

Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität, ihres geringen Gewichts und ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit haben sich organische Halbleiter als vielversprechendes Materialsystem insbesondere für flexible thermoelektrische Anwendungen erwiesen. Nach Angaben der Wissenschaftler ist eine effiziente Dotierung zur Erzeugung von Ladungsträgern der Schlüssel zu leistungsstarken organischen thermoelektrischen Bauelementen. Die herkömmliche Volumendotierung führt bei einer hohen Dotierungskonzentration zu Störungen, die die elektrische Leitfähigkeit einschränken, heißt es. „In unserer Studie haben wir den Ansatz der Modulationsdotierung für hoch geordnete organische Dünnschichten angewandt, bei dem die Dotierstoffverunreinigung vom Leitungskanal getrennt ist. Mit dieser Methode können wir eine hocheffiziente Dotierung auch bei hohen Dotierdichten erreichen, ohne den Ladungstransport in den Dünnschichten zu beeinflussen“, erklärt Erstautor Dr. Shu-Jen Wang vom Institut für Angewandte Physik der TU Dresden (IAP).

Hocheffiziente Dotierung bei hohen Dotierdichten

Das Team um Prof. Karl Leo untersuchte den Ladungs- und thermoelektrischen Transport in modulationsdotierten großflächigen Rubren-Dünnschichtkristallen mit unterschiedlichen Kristallphasen. Es konnte zeigen, dass durch Modulationsdotierung, anders als bei konventioneller Volumendotierung, selbst bei hohen Dotierdichten stärkere Dotiereffizienzen erzielt werden können. Modulationsdotiertes orthorhombisches Rubren erziele deutlich verbesserte thermoelektrische Leistungsfaktoren. Die Wissenschaftler zeigen, dass die Modulationsdotierung in Verbindung mit hochbeweglichen kristallinen organischen Halbleiterfilmen eine neuartige Strategie zur Erzielung leistungsstarker organischer Thermoelektrika darstellt. „Der Hauptvorteil der Modulationsdotierungstechnik ist die Vermeidung der Streuung ionisierter Verunreinigungen in dem hoch geordneten undotierten Halbleiter mit schmaler Bandlücke, wodurch sowohl die Ladungsträgerkonzentration als auch die Mobilität unabhängig voneinander maximiert werden können“, erklärt Dr. Shu-Jen Wang. Die Arbeit ebnet neue Wege zu flexiblen thermoelektrischen Bauelementen, die es ermöglichen, auf elegante und effiziente Weise direkt elektrische Energie aus Wärme zu erzeugen.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science Advances

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