Neue Perylendiimid-Hauptkettencopolymere mit selbstdotierenden Ammoniumhydroxid-Seitenketten als effiziente Elektronenleiter für organische Thermoelektrika

Stipendiatin/Stipendiat: Simon Schmidt

Die freie Verfügbarkeit von Energie ist unverzichtbar für alle Bereiche des täglichen Lebens, doch jährlich steigt der Weltenergiebedarf und damit auch die Emission von Treibhausgasen weiter an. Auch in Deutschland basiert die Energieversorgung hauptsächlich noch auf fossilen Energiequellen. Um wie im Dezember 2015 von der UN-Klimakonferenz in Paris beschlossen, die globale Erwärmung auf deutlich unter 2 °C zu begrenzen, muss eine stärkere Orientierung hin zu erneuerbaren Energien und eine effektivere Nutzung der vorhandenen Energie erfolgen.
Kraftwerke und Automobile weisen jedoch sehr schlechte Wirkungsgrade auf, sie nutzen nur etwa ein Drittel der zugeführten Energie, der Rest geht als Abwärme verloren. Eine äußerst vielversprechende Möglichkeit um die als Abwärme ungenutzte Energie auf niedrigem Temperaturniveau emissionsfrei in elektrische Energie umzuwandeln, bieten Thermoelektrische Generatoren.
Allerdings sind herkömmliche, aus keramischen Materialien bestehende Thermoelektrika durch deren aufwändige Produktion recht kostenintensiv und damit kaum ökonomisch. Eine vielversprechende Alternative bieten organische Thermoelektrika. Sie können durch kostengünstige Druckprozesse aus halbleitenden Polymeren hergestellt werden, weshalb sie eine hohe mechanische Flexibilität bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen.
Um die Effizienten von organischen thermoelektrischen Materialien weiter zu erhöhen, werden neue Hochleistungsmaterialien benötigt.

In dieser Arbeit werden eine Reihe neuer selbstdotierender Elektronenakzeptor-Polymere synthetisiert, die alle Anforderungen von organischen Thermoelektrika erfüllen sollen. Somit sollen die Wirkungsgrade stark verbessert und die Wirtschaftlichkeit und Einsatzmöglichkeiten von organischen Materialien in thermoelektrischen Bauteilen weiter gesteigert werden.
Organische Thermoelektrika müssen möglichst niedrige thermische und sehr gute elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Während die thermischen Leitfähigkeiten günstiger Weise niedrig sind, zeigen organische Halbleiter ebenfalls niedrige
elektrische Leitfähigkeiten. Um diese zu erhöhen kann entweder extrinsisch dotiert werden, d.h. durch Mischen mit niedermolekularen Dotierungsmitteln welche Elektronentransferprozesse ermöglichen, oder durch intrinsisches Dotieren. Letztere Möglichkeit beinhaltet die kovalente Anbindung von Amin Seitengruppen in konjugierte Hauptkettenpolymere, und unterbindet elegant das Grundproblem der Phasenseparation bei extrinsischen Dotierungen. Die daraus entstehenden konjugierten Polymere sind als elektronenreiche Lochleitern geläufig. Die ebenfalls benötigen elektronenarmen, selbstdotierenden Akzeptorpolymere sind jedoch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit soll daher eine Reihe konjugierter Hauptkettencopolymere auf Basis von Naphthalindiimid-basierten Monomeren (NDI) mit selbstdotierenden Amin-Seitenketten hergestellt werden.
Der Dotierungsgrad, die Löslichkeit des Polymers sowie dessen Morphologie werden durch Copolymerisation von NDI-Molekülen mit unterschiedlich langen Alkylseitenketten mit und ohne Aminen in den Seitenketten eingestellt um so die thermoelektrischen Eigenschaften weiter zu optimieren. Auch die Länge der Alkylkette zwischen NDI-Kern und Amingruppe sowie die Substituenten am Amin-Stickstoff werden für eine zusätzliche Leistungssteigerung in weiteren Experimenten variiert. Mittels Variation des komplementären C-H-Monomers sollen Eigenschaften wie z.B. die Ladungsträgermobilität eingestellt werden. Durch die Darstellung und Analyse von Modellverbindungen soll der Mechanismus und die Voraussetzungen für eine effektive Selbstdotierung besser verstanden werden. Hierzu werden NDI Derivate mit unterschiedlich stark elektronenziehenden Kernsubstituenten mit Amin-NDIs vermischt und mittels verschiedenen Untersuchungsmethoden anaylsiert. Die Erkenntnisse aus diesen Modellverbindungen werden schließlich auf die Konzeption von Polymeren übertragen.
Um die Polymere zu synthetisieren wird die moderne, atomökonomische, ungiftige und kostengünstige direkte C-H-Arylierungspolykondensation verwendet. Die Arbeit hat starken synthetischen Charakter, gleichwohl baut sie für eine umfassende Charakterisierung bezüglich aller thermoelektrisch relevanten Parameter auf ein großes, sehr gut ausgebautes Kooperationsnetzwerk. Es wird erwartet dass die neuen selbstdotierenden Elektronenakzeptor-Polymere das Gebiet der organischen Thermoelektrik entscheidend voranbringen.

Förderzeitraum:
01.07.2016 - 30.06.2019

Institut:
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Chemie / Professur Polymerchemie

Betreuer:
Prof. Dr. Michael Sommer

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: https://www.tu-chemnitz.de/chemie/polymer/index.php

Publikationen: