西南交通大学Yong Wang课题组--用于一体化光热转换的超柔 PEDOT-PSS-螺旋碳纳米管薄膜

       光热（PTE）转换可以有效地实现低质量光或热的回收。无机异构异步（分离）PTE转换系统的开发已经投入了大量精力。在这里，根据均匀同步（一体式）PTE转换假设。通过连续滴铸PEDOT：PSS/螺旋制备具有赝双层结构（PBA）的全有机PTE薄膜碳纳米管 (HCNT) 混合物和 PEDOT:PSS 到真空紫外线处理的基板上。研究结果证明，嵌入 HCNT 中的七边形-五边形对促进了 PEDOT 分子链的更密集排列，从而提高了结晶度并影响了热电性能。HCNTs的弱连接和中空结构抑制了热量的散发，薄膜的zT值达到0.01以上。PBA 薄膜显示出比纯 PEDOT:PSS 薄膜更好的光热转换性能，并且无需外部冷却即可稳定产生超过 25.68℃的温差。制作了柔性PTE芯片demo，其理想开路电压（COMSOL模拟）在弱近红外刺激下（83.12 mW/cm2）达到1.5 mV以上，是有机一体式PTE的最佳值。器件，实际最大输出功率达到 2.55 nW (166.01 mW/cm2)。该芯片具有令人难以置信的超柔韧性，10000次弯曲循环后其内阻变化小于1.42%，在连续周期输出中表现出超高稳定性（相似度>90%）。我们的工作填补了 PEDOT:PSS 复合材料同质同步 PTE 研究的不足，是超灵活集成一体式 PTE 芯片设计的初步尝试。

Figure 1. (a) 单层/双层结构薄膜的制造示意图。(b-e) PEDOT:PSS/ x wt % HCNT ( x = 20, 40, 60, 80) 双层结薄膜的横截面形态。(f, g) TEM 图像和 (h) PEDOT:PSS/HCNT 复合材料的相应EDS映射。

Figure 2. (a) 未经进一步处理的 PEDOT:PSS/HCNTs 单层结构薄膜的拉曼光谱。(b) PEDOT的C_α=C_β对称伸缩振动的拉曼位移。（c）PEDOT C_α=C_β对称伸缩振动信号在PEDOT:PSS/60 wt% HCNT假双层结构薄膜横截面上的拉曼图。(d) 未经进一步处理的 PEDOT:PSS/HCNT 单层结构薄膜的 XRD 光谱。(e) PEDOT 交替 (200)、PSS 交替 (100) 和 PSS 相邻 (100) 的层状距离。(f) PSS π-π 堆积 (001) 和 PEDOT π-π 堆积 (010) 的距离变化分别随着 HCNT 含量的增加而变化。

Figure 3. 具有不同结构、厚度比和 HCNT 含量的 PEDOT:PSS/HCNT 薄膜的热电特性。(a) 电导率和塞贝克系数，以及 (b) 具有单层结构 (SLC) 和伪双层结构 (BLC) 的 PEDOT:PSS/HCNT 薄膜和具有双层形式 (BL-) 的 PEDOT:PSS 薄膜的功率因数PEDOT：PSS），分别。(c) PEDOT:PSS/HCNT 赝双层结构薄膜的电导率和塞贝克系数、(d) 功率因数、(e) 面内热导率和 (f) 无量纲品质因数 (zT)。(g) 电导率和塞贝克系数，以及 (h) 基于两种组分不同厚度比的赝双层结构薄膜的功率因数。

Figure 4. PEDOT:PSS/HCNT薄膜的光热转换和透射率。(a) 光热转换和面内热传输测试系统示意图。(b) PEDOT:PSS/HCNT 伪双层结构薄膜在不同曝光时间下的 IR 热图和 (c) 3D 热图。(d) (b) 中样品在完整的灯开/关期间的温度变化。最高温度绘制在（e）中。(f) PEDOT:PSS/80 wt % HCNT 伪双层结构薄膜的横截面温度分布演变。样品产生的温差如（g）所示。(h) PEDOT:PSS/HCNTs 单层薄膜的 UV-vis-NIR 光谱。透射率总结在（i）中。(i) 的插图强调了透射率的指数下降。

Figure 5. 制造的柔性纳米微光热电器件的输出性能。(a) 设备的架构演示。(b) 成品装置的灵活性。(c) 制备的器件在不同近红外辐射功率刺激下的开路电压响应曲线。(d) 器件的输出电压和 (e) 功率与不同辐射功率下的电流的关系。最大功率输出时的匹配电阻绘制在 (f) 中。(g) 器件的 t₉₀ 系数。

Figure 6. 通过 COMSOL 软件模拟的制造的柔性纳米微器件的理想输出性能。所有参数均取自实际测量值。(a) 器件在不同曝光时间下的散热。(b) 理想 OCV、等电位漂移校正 OCV 和实际 OCVn。(c) 所制备设备的数码照片和仿真模型。准确的连接点用黄点标记。

Figure 7. 制造的柔性纳米微器件的在线弯曲疲劳测定。(a) 在线判定系统示意图。(b) |R - R₀|/R₀ 器件在 10000 次连续拉伸-弯曲循环中的变化。(b) 的插图显示了伪双层架构器件的内部电阻变化的细节。(c) 开路电压和 (d) |V_10K - V₀|/V₀ 值与 10000 次弯曲循环前后的照明功率的关系。(e) 归一化 Fréchet 距离和 (f) 在 10000 次弯曲循环之前/之后在不同照明功率下设备的任意输出信号的相似性。(g) 拉伸和弯曲状态下的赝双层结构薄膜结构示意图。

  相关研究工作由西南交通大学Yong Wang课题组于2022年在 《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上在线发表。原文：Ultraflexible PEDOT:PSS/Helical Carbon Nanotubes Film for All-in-One Photothermoelectric Conversion。