2019 Fiscal Year Annual Research Report
Seebeck effect of conducting polymers and development of efficient organic thermoelectric devices
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17K05965
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
播磨 裕 広島大学, 工学研究科, 名誉教授 (20156524)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
今榮 一郎 広島大学, 工学研究科, 准教授 (90293399)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / ゼーベック係数 / 導電性高分子 / 有機材料 / ドープ率 / 位置規則性 / PEDOT:PSS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電変換材料として導電性高分子が注目されている。その性能は主に電気伝導率とゼーベック係数(S)によって決定され，特にSは熱電変換性能に二乗で影響することから重要であるが，Sを決定する因子の解明は遅れている。log Sと電荷密度の対数は傾き-2/3の直線になることが理論的に予測されている。これは電荷密度の増加に伴ってSが減少することを意味する。しかし，この二つの物理量の相関関係を定量的に検証することは困難であり，Sを支配する因子の解明の障壁となってきた。
そこで本研究では，高効率な導電性高分子創成の分子設計指針の確立を目指して，導電性高分子のドープ率（電荷密度）を電気化学的に制御するという新規な発想に基づき，導電性高分子の性質との関係という視点からSと電荷密度の関係を精査した。 位置規則性を有するポリ(3-ヘキシルチオフェン)膜(P3HT膜）では，ドーパントイオンの導入法や種類の違いに依らず，広いドープ率範囲にわたってlog Sとドープ率の関係は傾き-1の直線を与えることを見出した。この結果は無機・有機熱電材料で観測された初めての信頼性の高い電荷密度とSとの相関関係の測定例であり，熱電分野の理論・実験研究者に強いインパクトを与えた。さらに対象を重縮合法や電解酸化重合法によって合成した位置規則性の無いP3HTに広げ，Sのドープ率依存性を調査した結果，化学的に合成したP3HTの方が電解重合膜よりも強い依存性を示すことを見出した。その原因は，高分子鎖の架橋の程度の違いで合理的に説明することが可能であった。さらに研究対象を有機熱電変換材料として有望なPEDOT:PSSに拡張した。その結果，log Sとドープ率のプロットは良好な直線関係は与えたものの，その傾きはP3HTのものと異なるだけでなく，同じ物質であっても添加物の有無によって大きく異なることを明らかにした。
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