Molekulares Verständnis thermoelektrischer Eigenschaften in organischen Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr. Daniele Fazzi
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379848660

Jede Energieumwandlung aus Primärquellen geht mit Wärmeverlusten einher. Eine effiziente und umweltfreundliche Möglichkeit zur Verwertung der Abwärme ist die Nutzung des thermoelektrischen Effekts. Mittels Thermoelektrizität können Temperaturunterschiede und somit Wärme in Strom umgewandelt werden. Der thermoelektrischen Effekt ist eine Materialeigenschaft und wird mittels der Kennzahl zT beschrieben die sich aus der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und dem Seebeck-Koeffizienten zusammensetzt. Gute thermoelektrische Materialien besitzen einen zT-Wert von etwa 1 (bei 250 °C). Neuere Kandidaten für kostengünstige, umweltfreundliche, aus Lösung verarbeitbare (d.h. druckbare) und flexible thermoelektrische Module sind konjugierte halbleitende Polymere. Allerdings zeigen diese nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit, was zu zT-Werten von ca. 10^-5 (bei Raumtemperatur) führt. Chemische Dotierung kann deren elektrische Leitfähigkeit zwar bis zu metallischen Werten erhöhen, senkt jedoch gleichzeitig den Seebeck-Koeffizienten. Eine optimale Balance kann durch die Verringerung des Dotierstoffvolumens und die Kontrolle des Oxidationszustands des Polymers erreicht werden, was bereits zu zT~1 führte. Trotz dieser jüngsten Fortschritte gibt es noch kein grundlegendes Verständnis der verschiedenen Effekte, die durch die unterschiedlichen Dotanden induziert werden und welche die supramolekularen Polymer-Dotand-Komplexe, deren Ladung und Wärmeübertragungseigenschaften bestimmen. Dieses Projekt zielt daher auf das molekulare Verständnis thermischer und elektrischer Eigenschaften von Polymer-Dotand-Mischungen ab, indem es multiskalige atomistische Simulationen anwendet. Für moderne n- und p-dotierte halbleitende Polymere sollen 1) die Struktur, 2) die spektroskopischen Eigenschaften, 3) Ladungstransporteigenschaften, 4) die elektrische Leitfähigkeit, 5) der Seebeck-Koeffizient und 6) die thermische Leitfähigkeit modelliert werden. Ziel ist es, Struktur-Funktions-Zusammenhänge zu untersuchen, und thermoelektrische Phänomene von der molekularen bis zur mikroskopischen Skala in (halb)leitenden Polymeren zu verstehen. Dieses Projekt stellt die erste systematische Untersuchung dieser Eigenschaften dar und kombiniert atomistische Simulationen mit Ladungstransport- und thermischen Transporttheorien (halb)leitender Polymer und deren Polymer-Dotand-Komplexe. Das physikalisch-chemische Verständnis auch von weiteren neuartigen Technologien wie organische Spintronik und organische Batterien wird so ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen