[发明专利]一种利用含可移除侧链聚合物制备热电材料的方法与热电材料

说明书

本发明公开一种利用含可移除侧链聚合物制备热电材料的方法与热电材料。本发明将可移除侧链引入聚合物，利于提高聚合物溶解度，将其溶液加工成膜后，再利用高温退火将侧链选择性移除，聚合物的有序性增加，结晶性提高，有利于电荷传输，获得了高的载流子浓度，从而提高了热电性能。本发明的热电材料除了具有较高的功率因子之外，还具有良好的柔韧性以及一定的机械性能，使得该有机热电材料有望应用于柔性可穿戴热电设备中。

技术领域

本发明涉及热电材料领域，尤其涉及一种利用含可移除侧链聚合物制备热电材料的方法与热电材料。

背景技术

全球工业发展迅速，能源缺乏越来越严重，因此开发新型绿色能源和提高能源利用率至关重要。热电器件可以实现热能和电能的直接相互转化，具有污染少、无噪音、无机械损耗等优点，是一种理想的环保型能源转换器件。热电材料是利用固体内部载流子的运动来实现热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，主要包括三个基本物理现象：Seebeck效应(温差产生电场)、Peltier效应(电场驱动载流子通过异质结界面吸/放热)和Thomson效应(描述具有温度梯度的载流导体的加热和冷却过程)。这三种效应构成了描述热电能量直接转换物理效应的完整体系。其具有体积小、质量轻、运行安静且无需转换介质和机械可动部分等优点，作为一种新型能源材料被广泛关注。

热电材料的性能由无量纲热电优值ZT＝S²σT/κ来表征，其中S为材料的Seebeck系数，σ为电导率，T为热力学绝对温度，κ是热导率(分为电子导热系数κ_e，晶格导热系数κ_l)。ZT值越大热电转换效率越高，其热电材料的性能就越优异，因此一种优异的热电材料必须具备高Seebeck系数和高电导率，即较高的功率因子(PF，PF＝S²σ)，并同时具备较低的热导率。然而S，σ和κ之间关联紧密，S与材料的载流子和态密度有关，σ取决于载流子浓度和迁移率；热导率则包括载流子热导率和声子热导率两部分。提高材料的载流子浓度虽然有利于σ提高，但却使S降低和κ_e上升，正因如此产生了异常复杂的制约关系。因此，如何合理调节材料的S，σ和κ值以获得最优的ZT值是热电材料领域急需解决的关键问题。

热电材料主要分为无机热电材料和有机热电材料。近年来，无机热电材料发展迅速，如PbTe、GeTe、Bi₂Te₃及Sb₂Te₃等，均取得了一定的研究成果。然而，无机热电材料存在资源少、成本高、加工困难、毒性大和热导高等缺点，很大程度上限制了它们的商业化发展。与无机热电材料相比，有机热电材料因其资源丰富、价格低廉、易合成、易加工且热导率低等优点，成为具有潜力的热电材料。另外，有机热电材料制作的热电设备还具有轻便、灵活、无毒、可穿戴等优势，在偏远地区发电(如军事现场部署)和为需要低功耗的小型移动无线设备供电(如运动员或应急响应人员的健康传感器)等应用上显示出巨大的潜力。有机热电材料虽然得到较快的发展，但与无机材料的热电性能相比，还存在巨大的差距，如何提高有机热电材料的性能是目前研究的热点也是难点。通过优化结构获得窄带隙的共轭聚合物是目前提高材料热电性能最有效的方法之一，新型D-A结构的聚合物可以通过调节结构来调控其平面性，并调节能级和带隙。带隙的减小，有助于聚合物掺杂水平的提高，从而提高材料的热电性能。然而共轭聚合物分子链一般都是柔性结构，容易发生扭曲和缠结，使得载流子在分子链内和链间的“跳跃”传输变得困难，降低导电性，导致热电性能较低。

因此，现有技术仍有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用含可移除侧链聚合物制备热电材料的方法与热电材料，旨在解决现有的有机聚合物热电材料的热电性能较低的问题。

本发明的技术方案如下：