Improving the electrical characteristics of organic devices for thermoelectric applications.

Eryilmax, Ilknur Hatice (2023). Improving the electrical characteristics of organic devices for thermoelectric applications. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 163 p.

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Résumé

Les semi-conducteurs organiques (OSC) sont des matériaux devisés en deux catégories : les polymères conjugués et les petites molécules. Ils sont capables de conduire des porteurs de charges avec des mobilités pouvant atteindre ~10 cm2/Vs dans les matériaux les plus performants. Malgré les progrès considérables réalisés dans ce domaine au cours des dernières décennies, les mobilités des OSC ont atteint et dépassé celles du silicium amorphe (~1 cm2/Vs), mais restent incomparables à leurs homologues inorganiques, tels que le silicium cristallin, le CdS, le GaAs, le CdSe, l'InP. Par conséquent, les OSC ne peuvent pas être utilisés dans la plupart des applications électroniques qui nécessitent une fréquence opérationnelle rapide. Cependant, le potentiel des OSC organiques en tant que thermoélectriques a suscité beaucoup d'attention au cours de la dernière décennie grâce à leur faible conductivité thermique inhérente. Grâce à cette dernière, le facteur de mérite des OSC peut dépasser celui des matériaux thermoélectriques conventionnels, mais plusieurs défis sont à relever pour que les thermoélectriques organiques puissent être commercialisés. En améliorant leur conductivité électrique intrinsèque (σ), développant de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de traitement, il sera possible d'utiliser des générateurs thermoélectriques organiques (OTEG) efficaces dans la vie quotidienne, impliquant des appareils électroniques portables de faible puissance ou des applications IoT.
La méthode la plus populaire pour augmenter la conductivité électrique des OSC est le dopage moléculaire opéré par le mélange ou la diffusion de petites molécules. Dans cette thèse, un polymère de type p à base d'iso-indigo (appelé IIDDT-C3 dans la suite) a été principalement étudié en raison de sa grande solubilité et de son squelette "planaire", de son unité monomère donneur-accepteur qui permet un bon empilement moléculaire et entraîne une mobilité relativement élevée des porteurs de charges. Pour explorer le rôle de la morphologie dans la détermination de l'efficacité du dopage des films IIDDT-C3 fortement tassés par rapport à ceux enduits de spin, nous avons utilisé le dopage moléculaire par diffusion de vapeur. Les études menés sur les propriétés morphologiques et électriques sont présentées dans le chapitre 3.
Un autre défi pour l'intégration des OSC dans les OTEG à haute performance est l'efficacité de l'injection/extraction de charge, qui est principalement déterminée par l'alignement de l'énergie entre les niveaux d'énergie du semi-conducteur organique et de l'électrode. Cela conduit généralement à une perte d'efficacité dans le dispositif. Pour surmonter ce problème, nous avons testé des électrodes poreuses cultivées par voie électrochimique qui se sont avérées améliorer l'injection de charge dans les films semi-conducteurs IIDDT-C3. Les résultats de nos recherches sont détaillés dans le chapitre 4.
Le principal intérêt de l'utilisation de matériaux organiques dans le domaine de la thermoélectricité est de disposer de matériaux souples pouvant être utilisés dans des dispositifs portables et flexibles. Les gels organométalliques forment des nanostructures intégrées dans une structure de type gel et peuvent présenter des propriétés uniques telles qu'une grande surface, une grande porosité et une résistance mécanique donnée accompagnée de flexibilité. Dans le chapitre 5, de nouveaux gels organométalliques présentant des propriétés isolantes/conductrices qui dépendent de leurs ligands métalliques et de leur sensibilité aux solvants organiques courants sont reportés.
En effet, nous avons présenté dans les travaux de cette thèse de doctorat différentes perspectives d'amélioration des propriétés électriques des dispositifs organiques en termes de matériaux, de traitement et de dispositifs. L'utilisation de fibres polymères distribuées de manière aléatoire a montré un état conducteur après dopage, contrairement aux homologues densément alignés. En outre, l'incorporation d'électrodes poreuses facilite l'injection de charges, améliorant ainsi l'efficacité des générateurs thermoélectriques organiques. De plus, les gels organométalliques conducteurs offrent de nombreux avantages et pourraient être combinés pour créer des composants électroniques flexibles et imprimables.

Organic semiconductors (OSCs) are conjugated polymers and small molecules that are able to conduct charge carriers with mobilities up to ~10 cm2/Vs in the best-performing materials. In spite of the tremendous progress that has occurred in the field in the past decades, OSCs’ mobilities have reached and exceeded those of amorphous silicon (~1 cm2/Vs) but are still not on par with their inorganic counterparts, such as crystalline silicon, CdS, GaAs, CdSe, and InP, to name a few. This implies that OSCs cannot be employed in most electronic applications that need a fast operational frequency. However, organic OSCs' potential for thermoelectrics has garnered a great deal of attention in the past decade thanks to their inherent low thermal conductivity. Thanks to the latter, the figure of merit of OSCs may surpass that of conventional thermoelectric materials, but several challenges are at play for organic thermoelectrics to enter the marketplace. By improving their intrinsic electrical conductivity (σ), and developing new materials and processing methods, it will be possible to use efficient organic thermoelectric generators (OTEGs) in daily lives involving low-power wearable electronics or IoT applications.
The most popular method for increasing the electrical conductivity of OSCs is molecular doping, which is operated by blending with or diffusing small molecules. In this thesis, a p-type iso-indigo-based polymer (named IIDDT-C3 in the following) was mainly studied due to its high solubility, “planar” backbone, and donor-acceptor monomer unit that allows for good molecular stacking and results in relatively high charge carrier mobility. To explore the role of the morphology in determining the doping efficiency of highly packed vs. spin-coated IIDDT-C3 films, we used molecular doping by vapor diffusion. vs.Our studies on morphological and electrical properties are reported in Chapter 3. Another challenge for having OSC integrated into high-performing OTEGs is the charge injection and extraction efficiency, which is mainly determined by the energetic alignment between the energy levels of the organic semiconductor and the electrode. This generally leads to a loss of efficiency for the device. To overcome this problem, we tested electrochemically grown porous electrodes that were found to improve charge injection in IIDDT-C3 semiconducting films, as presented in Chapter 4.The most popular method for increasing the electrical conductivity of OSCs is molecular doping, which is operated by blending with or diffusing small molecules. In this thesis, a p-type iso-indigo-based polymer (named IIDDT-C3 in the following) was mainly studied due to its high solubility, “planar” backbone, and donor-acceptor monomer unit that allows for good molecular stacking and results in relatively high charge carrier mobility. To explore the role of the morphology in determining the doping efficiency of highly packed vs. spin-coated IIDDT-C3 films, we used molecular doping by vapor diffusion. vs.Our studies on morphological and electrical properties are reported in Chapter 3. Another challenge for having OSC integrated into high-performing OTEGs is the charge injection and extraction efficiency, which is mainly determined by the energetic alignment between the energy levels of the organic semiconductor and the electrode. This generally leads to a loss of efficiency for the device. As shown in Chapter 4, we tested electrochemically grown porous electrodes and found that they made charge injection in IIDDT-C3 semiconducting films better.
One of the main interests in going organic in thermoelectricity is to have soft materials to be used in wearable and flexible devices. Organometallic gels form nanostructures embedded in a gel-like structure, and they might exhibit unique properties such as high surface area, high porosity, and a given mechanical strength accompanied by flexibility. Chapter 5 presents novel organometallic gels showing insulator and conductive properties that depend on their metallic ligands and sensitivity to common organic solvents.
Overall, we have presented different perspectives to improve the electrical properties of organic devices in terms of material, processing, and device perspectives. Utilization of randomly distributed polymer fibers showed a conductive state after doping as opposed to their densely aligned counterparts. Furthermore, the incorporation of porous electrodes facilitates increased charge injection, thereby affording the opportunity to enhance the efficiency of organic thermoelectric generators. In addition, conductive organometallic gels bring many advantages and might be combined for soft, printable electronics.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Orgiu, Emanuele
Mots-clés libres:	semi-conducteurs organiques ; Langmuir-Schaefer ; dopage à la vapeur ; électrodes poreuses, IIDDT-C3 ; gels organométalliques ; organic semiconductors; Langmuir-Schaefer ; vapor doping ; porous electrodes ; IIDDT-C3 ; organometallic gels
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	16 mai 2024 15:41
Dernière modification:	16 mai 2024 15:41
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15666

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