Wpływ domieszkowania kwasami na właściwości termoelektryczne politiofenów

Abstract

Rozprawa doktorska poświęcona została analizie właściwości termoelektrycznych poli(3-heksylotiofenu) (P3HT) oraz jego pochodnych domieszkowanych wybranymi kwasami sulfonowymi (DBSA. EBSA, H2SO4) oraz ich solami. Celem pracy było określenie, w jaki sposób moc i struktura domieszek wpływają na transport ładunku, energetykę układu oraz morfologię materiału, a następnie ujęcie tych zależności w spójnym modelu teoretycznym pozwalającym przewidywać optymalną zawartość domieszki prowadzącą do maksymalizacji współczynnika mocy PF. W oparciu o zmodyfikowany model Jonkera opisano zależności σ (w), S(w) oraz PF(w), wyznaczając efektywność domieszkowania ƞ (w) oraz frakcję obsadzonych miejsc c(w). Otrzymano maksymalne wartości współczynnika mocy: 3,05 μW m-1 K -2 dla P3HT:DBSA oraz 2,42 μW m-1 K -2 dla P3HT:EBSA, przy stosunkach masowych odpowiednio ok. w = 146 i w = 21,8. Zauważono jednak, że wartości te są trudne do osiągnięcia eksperymentalnie z powodu degradacji morfologicznej przy wysokich stężeniach domieszki. Porównanie różnych kwasów wykazało istotną rolę długości łańcucha bocznego - EBSA pozwala na wyższe przewodnictwo przy niższej degradacji morfologii, natomiast DBSA umożliwia mocniejsze domieszkowanie dzięki właściwościom typowym dla surfaktantów.

The doctoral dissertation focuses on the analysis of the thermoelectric properties of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and its derivatives doped with selected sulfonic acids (DBSA, EBSA, H2SO4) and their salts. The aim of the work was to determine how the strength and structure of dopants influence charge transport, the energetics of the system, and the morphology of the material, and subsequently to incorporate these relationships into a coherent theoretical model capable of predicting the optimal dopant concentration that maximizes the power factor PF. Based on a modified Jonker model, the dependencies σ (w), S(w), and PF(w) were described, enabling determination of doping efficiency ƞ (w) and the fraction of occupied sites c(w). Maximum power factor values of 3.05 μW m-1 K -2 for P3HT:DBSA and 2.42 μW m-1 K -2 for P3HT:EBSA were obtained at mass ratios of approximately w = 146 and w = 21.8, respectively. However, it was noted that these values are difficult to achieve experimentally due to morphological degradation at high dopant concentrations. Comparison of the different acids demonstrated the critical role of side-chain length: EBSA yields higher conductivity with less morphological degradation, while DBSA, owing to its surfactant-like properties, allows stronger doping.