Termoelettricità dei conduttori organici : progettazione di un sistema per la misura del coefficiente di Seebeck dei materiali organici e analisi delle loro proprietà di trasporto

Energy harvesting is one of the most important challenges in the current century. Among other technologies, thermoelectric (TE) energy conversion, which uses heat to generate electricity, has very strong potential. At present an efficiency of 20% appears to be a holy grail in the international TE community. The strenght of a TE material is given by its dimensionless figure of merit ZT=σS2T/κ, where S, σ, T and κ are the Seebeck coefficient, electrical conductivity, absolute temperature and thermal conductivity, respectively. The use of inorganic materials for TE applications is clearly dominant over the use of organic materials for these applications. Nevertheless, organic semiconductors often combine high Seebeck coefficients with low thermal conductivity, which makes them potentially very interesting for low cost heat-to-electricity conversion. The goal of this diploma work was the building up of the experimental set-up needed to characterize the TE properties of organic materials and the thermoelectrically characterization of the PEDOT:PSS. The first chapters deal with the theory behind the TE effects. A complete discussion based on two different approch is given: a statistical approch and a thermodynamic approch, the last based on the magnetoidrodynamic model applied to a singol charged fluid. The next chapters are a general presentation of the TE properties and conductivity mechanism of organic conductors. Latter chapters are about the experiments and analysis of the results of the measurement of the Seebeck coefficient and the electrical conducitvity as a function of annealing treatment of PEDOT:PSS. I also widely describe experimental apparatus and measurement method of the home-made system to measure TE properties. A multiwaveleght Raman analysis is performed in order to correlate the transport properties observed to the structural ones. Moreover, the effect of post- deposition thermal treatment and the growth mechanisms of films are discussed. During this thesis work I have directly performed the production of films by spin coating technique and the successive annealing treatments, the whole project and development of the home-made system for TE measurements and the measurement of electrical resistivity and Seebeck coefficient as a function of temperature. Raman measurements were performed by co-workers and I have analyzed the acquired spectra.

La conversione di energia per mezzo di dispositivi termoelettrici riveste un ruolo centrale in questo secolo. Allo stato attuale un efficienza del 20% è il Santo Graal della comunità termoelettrica (TE) internazionale. L’efficienza di un materiale TE è determinato dalla figura di merito ZT = σS2T/κ, dove S è il coefficiente di Seebeck, σ la conducibilità elettrica, κ la conducibilità termica, e T la temperatura assoluta. Oggi i dispositivi TE sono realizzati con materiali inorganici. Tuttavia, molti semiconduttori organici presentano un coefficiente di Seebeck alto combinato a bassa conducibilità termica. Ciò fa di essi promettenti materiali a basso costo per la conversione di energia termica in elettricità. La scopo di questo progetto di tesi è lo sviluppo di un set-up sperimentale per la misura delle proprietà termoelettriche dei materiali organici e la caratterizzazione TE del PEDOT:PSS. Nei primi capitoli si presenta una completa trattazione teorica degli effetti TE, sia dal punto di vista statistico che da quello termodinamico mediante l’applicazione del modello magnetoidrodinamico a singolo fluido. Nei capitoli successivi si discutono in generale le proprietà TE e i meccanismi di conduzione elettrica dei semiconduttori organici. Infine, negli ultimi capitoli, si analizzano i risultati sperimentali delle misure del coefficiente di Seebeck e della conducibilità elettrica in funzione del trattamento termico del PEDOT: PSS. Inoltre, si descrive ampiamente l’apparato sperimentale realizzato per la misura del coefficiente di Seebeck e la tecnica di misura adottata. Si ricorre alla spettroscopia Raman a diverse lunghezze d’onda per correlare le proprietà di trasporto osservate con le proprietà strutturali dei materiali. Infine si discute gli effetti del trattamento termico post-deposizione e i meccanismi di deposizione dei film. In questo progetto di tesi ho personalmente realizzato i film di materiale mediante spin coating, ho eseguito i diversi trattamenti termici, ho progettato e sviluppato il sistema per la misura del coefficiente di Seebeck in funzione della temperatura, e ho misurato il coefficiente di Seebeck e la conducibilità elettrica in funziona della temperatura del PEDOT:PSS. Le misure Raman sono state eseguite da collaboratori e io mi sono limitato all’analisi degli spettri acquisiti.