[发明专利]由导电聚合物构成的复合热电材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种由导电聚合物构成的复合热电材料，即pn结叠层型热电转换装置。在一定条件下，该种特殊热电材料（装置）提供的电能可应用在各种微机电系统和微纳器件供电电源及其它微电源应用领域。

背景技术

热电材料是一种能够实现电能与热能之间相互转换的功能材料，它可提供一种既清洁又安全的发电方式，具有广泛的应用前景。目前热电材料存在的问题是其热电转换效率仍较低、价格昂贵及发电装置制造工艺复杂。

热电材料的热电转换效率可用热电优值ZT来表征，，这里，为电导率, 为导热系数，为塞贝克(Seebeck)系数，T为绝对温度。由ZT的表达式可以看出，要提高材料的热电转换效率，应选用同时具有较大电导率和尽可能低的热导率的热电材料。但事实上，在一定温度下，决定ZT值的3个因子都是载流子浓度的函数，是相互关联的，不可能同时使它们得到优化，这是目前妨碍热电材料性能进一步提高的主要原因。

目前，制造具有较高ZT 值的热电物质仍是比较困难及昂贵的。如最常用的无机Bi₂Te₃和Bi₂Se₃热电材料的制造成本耗时且昂贵，并对环境还有污染。此外，由于制造要求和耐受性的要求，也限制了一些热电材料在各种热收集和发电装置中的应用。

近年来, 随着导电聚合物研究的不断深入，世界各国研究者开展了一系列利用各类导电聚合物制备新型有机复合热电材料及发电装置的研究工作。因导电聚合物具有较好的电导率及力学性能、较低的导热系数等特点，通过复合优化，导电聚合物就有可能取代传统的半导体、金属及超导等材料，成为最优秀的热电材料。通过导电聚合物热电材料设计开发的各种发电装置，有望应用于微机电系统或微电子器件供电电源及其他领域。

发明内容

为进一步提高现有聚合物热电复合材料的热电功率因子，提高其热电优值ZT，也为了解决目前有机复合热电材料价格昂贵、生产、制造成本较高的问题，本发明的目的是提供了一种价格低、制造简单的导电聚合物复合热电材料，并利用这种特殊的组合构建出了可实用化的热电转换装置。

本发明所述的由导电聚合物构成的pn结型复合热电材料，包括衬底材料，在衬底材料层上喷涂由PANI与PVDF混合而成的n-型导电层，n-型导电层按如下方法制备：将PANI和 PVDF粉末混合后倒入一定比例的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合，后放入90℃烘箱中烘焙，待60 % 的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合液变成胶状液体，采用喷涂工艺在衬底材料上喷涂，构成厚度为0.01-0.1mm的n-型导电层；PANI的用量占 PANI和PVDF质量总和的75%～90%，N-甲基吡咯烷酮的用量与PANI和PVDF混合物的总质量相同；

然后在制备的n-型导电层上再喷涂由PVDF构成的绝缘隔离层，绝缘隔离层按如下方法制备：将PVDF聚合物粉末溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合后，在90℃烘箱中烘焙，待60 % 的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，利用喷涂工艺在n-型导电层上喷涂，制备出绝缘隔离层，绝缘隔离层厚度为0.01-0.1mm；制备绝缘隔离层时，PVDF聚合物粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1︰3；

最后，在绝缘隔离层上喷涂有p-型导电层，p-型导电层按如下方法制备：将一定比例的PVDF粉末混入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，强力超声搅拌，待充分溶解后，倒入P3HT粉末，继续强力超声搅拌均匀，放入90℃烘箱中烘焙，待60%的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，采用喷涂工艺在绝缘隔离层上喷涂，制备出p-型导电涂层，涂层厚度为0.01-0.1mm；所述的P3HT用量占P3HT和PVDF质量总和的75%～90%，PVDF聚合物粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1︰5；

相邻的p-型导电层和n-型导电层只在一端相互连接。

所述的p-型导电层、n-型导电层和绝缘隔离层为多层结构。

所述的PANI、 P3HT、PVDF聚合物均为工业级用品。

n-型导电层、p-型导电层及位于中间的绝缘隔离层形成的基本单元交叠重复配置，通过串和/或并联方式为外部系统供电。