美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)的科學家們報告說,基于碳納米管薄膜的有機半導體的熱電性能取得了顯著的進展,可以將這些薄膜集成到織物中,充當小型電源或者可以將廢熱轉化為電能。

這項研究證明了半導體單壁碳納米管(SWCNTs)具有極高的潛力成為高效熱電發電機的主要材料,而不是僅僅成為一種包含碳納米管和聚合物的“復合”熱電材料的組成部分。新能源與環境科學論文中概述了這一發現,從摻雜的半導體單壁碳納米管薄膜中發現了高的n和p型熱電功率因子。
NREL的化學和材料科學與技術中心的資深科學家,同時也是安德魯·弗格森的論文的作者Jeffrey Blackburn說:“這樣做有一些固有的優勢。” 這些優勢包括通過溶液加工的半導體,其產品質輕、靈活而且制造成本低廉。NREL的其他作者還有Bradley MacLeod,Rachelle Ihly,Zbyslaw Owczarczyk和Katherine Hurst。NREL的作者還與丹佛大學的合作者和位于北卡羅來納州夏洛特的國際Thermodyne公司的有合作關系。
Ferguson是化學和材料科學技術中心的資深科學家,他說,將SWCNT應用于面料可以為“可穿戴”個人電子產品提供一個重要的功能。半導體可以通過捕獲體熱并將其轉換成電能,從而為嵌入在衣服中的便攜式電子設備或傳感器供電。
Blackburn和Ferguson去年發表了兩篇關于SWCNTs的論文,而新的研究則建立在他們早期的研究基礎上。在Nature雜志能源期刊上發表的第一篇論文講述了SWCNTs對熱電應用的潛在影響,但是在這項研究中所制備的薄膜保留了大量的絕緣聚合物。發表在ACS能源期刊的第二篇論文表明,從典型的SWNCT薄膜中去除這種“分選”聚合物可以改善熱電性能。
最新發表的文章表示,從所有SWCNT初始材料中去除聚合物有助于提高熱電性能,這一做法也利于電荷載流子穿過半導體。研究表明,在摻雜了正電荷或負電荷載體的情況下,相同的SWCNT薄膜具有相同的性能。這兩種類型的材料——分別稱為p型和n型腿,其產生都需要在熱電裝置中產生足夠的功率。半導體聚合物是另一種被大量研究的有機熱電材料,通常其產生的n型材料比p型材料的性能要差得多。事實上,SWCNT薄膜可以使p型和n型腿從同一材料中脫離出來,且具有相同的性能,這意味著每條腿的電流本身就是平衡的,從而可以簡化設備的制造。最好的材料的性能指標超過了通過目前最先進的溶液加工所得半導體聚合物有機熱電材料。
Ferguson說:“在傳統的熱電材料中,你必須要有一件是p型的,一件是n型的,然后才能把它們組裝成一個器件。而現在我們用單一的材料就能夠制造這種器件。”