清華新聞網(wǎng)8月10日電 8月6日，電機(jī)系李琦副教授、何金良教授等在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上發(fā)表了題為“基于聚合物-分子半導(dǎo)體全有機(jī)復(fù)合材料的高溫電容薄膜”（Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage）的研究論文，首次研制出200攝氏度高效介電儲(chǔ)能的全有機(jī)復(fù)合薄膜。這類(lèi)全有機(jī)復(fù)合介電材料在200攝氏度高溫條件下的介電儲(chǔ)能性能不僅遠(yuǎn)超過(guò)目前最好的高溫聚合物及聚合物納米復(fù)合介電材料，并接近商業(yè)化聚合物電容薄膜室溫下性能；在大幅提升高溫介電儲(chǔ)能特性的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了大面積、性能均勻的薄膜制備，為實(shí)現(xiàn)薄膜電容器在200攝氏度嚴(yán)酷溫度環(huán)境下應(yīng)用提供了可能。
聚合物薄膜電容器具有介電強(qiáng)度高、能量損耗低以及自愈性好等優(yōu)點(diǎn)，在全球工業(yè)電容器市場(chǎng)占有率超過(guò)其它類(lèi)型電容產(chǎn)品。然而，聚合物介電材料的絕緣性能對(duì)溫度極其敏感，在高溫、高電場(chǎng)作用下泄漏電流呈指數(shù)上升、放電效率急劇下降，最終造成電容器過(guò)熱損壞。目前主流商業(yè)薄膜電容器僅在105攝氏度以下工作，長(zhǎng)期工作溫度低于70攝氏度。另一方面，隨著電子器件和電力、能源設(shè)備功率不斷增大以及對(duì)小型化和緊湊型功率模塊的持續(xù)追求，電子材料的工作溫度要求快速提高，薄膜電容器介電材料已成為高溫電子器件和設(shè)備的技術(shù)瓶頸。
a：聚合物-分子半導(dǎo)體復(fù)合體系能級(jí)與電荷轉(zhuǎn)移示意圖 b：分子半導(dǎo)體靜電勢(shì)分布 c： 電極/聚合物界面表面電勢(shì)分布
該論文采用了一種與前期方法截然不同的技術(shù)路線(xiàn)——利用有機(jī)光伏中電子受體材料的強(qiáng)得電子能力，實(shí)現(xiàn)了在高溫聚合物中構(gòu)筑深電荷陷阱。這種有機(jī)分子半導(dǎo)體型的電子受體材料具有極高的電子親和能，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)光伏中激子在異質(zhì)結(jié)界面高效分離。它們可通過(guò)其表面靜電勢(shì)分布的極不均勻特性，對(duì)自由電子產(chǎn)生強(qiáng)束縛作用。通過(guò)向耐熱聚合物中摻雜極少量高電子親和能有機(jī)分子半導(dǎo)體制備了全有機(jī)復(fù)合高溫介電材料。這類(lèi)材料在200攝氏度和200kV/mm電場(chǎng)條件下，電阻率比高溫聚合物提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上；200攝氏度、放電效率90%以上的能量密度是目前最好的聚合物高溫介電材料的2.3倍。此外，全有機(jī)復(fù)合體系解決了傳統(tǒng)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體系中高表面能粒子分散不均和引入界面缺陷等問(wèn)題，在薄膜品質(zhì)和規(guī)模化制備等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
a：聚合物-分子半導(dǎo)體全有機(jī)復(fù)合介電薄膜 b：全有機(jī)復(fù)合介電材料（PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC）高溫儲(chǔ)能特性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)高溫介電聚合物（PEI） c：高溫高場(chǎng)下全有機(jī)復(fù)合介電薄膜長(zhǎng)期工作循環(huán)性能
論文第一作者為清華大學(xué)電機(jī)系博士后袁超，通訊作者為電機(jī)系李琦副教授和何金良教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金和創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17760-x
供稿：電機(jī)系
編輯：李晨暉
審核：程曦
