Flexible Environmentally Friendly Thermoelectric Material Made of Copper (1) Iodide and Nanocellulose for Green Energy

Abstract

Розроблено новий ефективний гнучкий гідрофобний термоелектричний (ТЕ) матеріал із підвищеною термічною стабільністю та механічною міцністю для виробництва зеленої енергії. Гнучка наноцелюлозна підкладка товщиною 8 мкм була отримана зі стебел звичайного очерету шляхом TEMPOопосередкованого окислення. Вона має високий індекс кристалічності 88 % і області когерентного розсіювання нанокристалів в межах від 2 до 3 нм. Плівка CuI товщиною 4,3 мкм була нанесена на підкладку NC методом послідовної адсорбції та реакції іонних шарів (SILAR), і таким чином був отриманий тонкоплівковий термоелектричний матеріал CuI/NC. Середній розмір областей когерентного розсіювання CuI становить 25 нм. Нанокристали CuI містять дислокації (1.6·1015 ліній/м2) і мікродеформації розтягу 6·103 від. од. Оптична заборонена зона Eg для прямих дозволених переходів у плівці CuI дорівнює близько 3,0 еВ. Висока гідрофобність матеріалу CuI/NC є корисною властивістю для застосування у вологому середовищі. Матеріал CuI/NC містить однакову кількість атомів міді та йоду. Крім того, в плівці йодиду міді присутня невелика кількість сірки (<1 ат.%), що збільшує фактор термоелектричної потужності матеріалу CuI/NC до 6,7 мкВт/(м К2) при T = 340 K.. Його позитивний коефіцієнт Зеєбека S = 108 µV/K підтвердив p-тип провідності CuI. Зміна питомого опору при початковому нагріванні та подальшому охолодженні продемонструвала кросовер електропровідності, який є типовим для плівок нанокристалічного виродженого напівпровідника CuI. Зразок CuI/NC у вигляді смужки 3 см x 1 см тестували як планарний тонкоплівковий ТЕ елемент. Експериментально зафіксовано щільність вихідної потужності TE елемента CuI/NC 0.123 Вт/м2 при різниці між його гарячим і холодним краями 40 К.

Herein, we have developed a new efficient flexible hydrophobic thermoelectric (TE) material with increased thermal stability and mechanical strength for green energy production. The 8 µm thick flexible nanocellulose (NC) substrate was obtained from stalks of common reed by TEMPO-mediated oxidation. It has a high crystallinity index of 88 % and the amount of coherent scattering of nanocrystals in the range from 2 to 3 nm. A CuI film with a thickness of 4.3 µm was deposited on the NC substrate by the Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR), and thus a CuI/NC thin film thermoelectric material was obtained. The average size of the CuI coherent scattering regions is 25 nm. CuI nanocrystals contain dislocations (1.6·1015 lines/m2) and tensile microstrains of 6·103 arb. units. The optical band gap Eg for direct allowed transitions in the CuI film is about 3.0 eV. The high hydrophobicity of the CuI/NC material is a useful feature for applications in humid environments. The CuI/NC material contains the same number of copper and iodine atoms. In addition, a small amount of sulfur (< 1 at.%) is present in the copper iodide film, which increases the thermopower coefficient of CuI/NC to 6.7 µW/(m K2) at T = 340 K. Its positive Seebeck coefficient S = 108 µV/K confirmed the p-type conductivity of CuI. The change in the resistivity upon initial heating and subsequent cooling demonstrated the electrical conductivity crossover typical of films of nanocrystalline degenerate semiconductor CuI. A CuI/NC sample in the form of a 3 cm x 1 cm strip was tested as a planar thin film TE element. The output power density of a CuI/NC TE element 0.123 W/m2 was experimentally recorded at a difference between its hot and cold edges of 40 K.