The enhancement of the thermoelectric (TE) properties of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) through secondary doping is well-known. In particular, the increase in the power factor (PF) following the addition of the strong polar solvent dimethyl sulfoxide (DMSO) in an aqueous solution is largely reported. However, systematic and comprehensive characterization of the morphological, compositional, and energetic evolution of the system with the addition of the secondary dopant is still missing. Here, the rationalization of the PF enhancement of PEDOT:PSS thin films with the addition of DMSO is presented. The system evolution is followed with morphological, by AFM and grazing incident wide angle x-ray scattering (GIWAXS), compositional, by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and energetic, by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), measurements as varying the secondary dopant percentage from 0 to 50 vol. %. UPS measurements reveal no changes in the work function, substantiating the measured constant values of Seebeck coefficient (S) as varying the percentage of DMSO. On the other hand, XPS analysis confirms that the PSS to PEDOT ratio decreases with the addition of DMSO. However, the compositional changes do not influence the molecular packing and the thin film crystallinity, as reported by GIWAXS measurements. This comprehensive analysis of the system evolution makes possible to safely relate the increase in the electrical conductivity (σ) as a function of the secondary dopant to the sole enhancement of the charge carrier mobility, due to both morphological and chemical composition changes.

1.
D. M.
Rowe
,
Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano
(
Taylor and Francis
,
New York
2006
).
2.
L. E.
Bell
,
Science
321
,
1457
(
2008
).
3.
M.
Cassinelli
,
S.
Müller
,
K.-O.
Voss
,
C.
Trautmann
,
F.
Völklein
,
J.
Gooth
,
K.
Nielsch
, and
M. E.
Toimil-Molares
,
Nanoscale
9
,
3169
(
2017
).
4.
G.
Pennelli
,
Beilstein J. Nanotechnol.
5
,
1268
(
2014
).
5.
M.
Cassinelli
,
A.
Romanenko
,
H.
Reith
,
F.
Volklein
,
W.
Sigle
,
C.
Trautmann
, and
M. E.
Toimil-Molares
,
Phys. Status Solidi A
213
,
603
(
2016
).
6.
C. J.
Vineis
,
A.
Shakouri
,
A.
Majumdar
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Adv. Mater.
22
,
3970
(
2010
).
7.
T. M.
Tritt
,
Annu. Rev. Mater. Res.
41
,
433
(
2011
).
8.
M.
Cassinelli
,
S.
Müller
,
Z.
Aabdin
,
N.
Peranio
,
O.
Eibl
,
C.
Trautmann
, and
M. E.
Toimil-Molares
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
365
,
668
(
2015
).
9.
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
(
2008
).
10.
Y.
Shin
,
H.
Komber
,
D.
Caiola
,
M.
Cassinelli
,
H.
Sun
,
D.
Stegerer
,
M.
Schreiter
,
K.
Horatz
,
F.
Lissel
,
X.
Jiao
,
C. R.
McNeill
,
S.
Cimò
,
C.
Bertarelli
,
S.
Fabiano
,
M.
Caironi
, and
M.
Sommer
,
Macromolecules
13
,
53
(
2020
).
11.
G.
Tan
,
L.-D.
Zhao
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Chem. Rev
116
,
12123
(
2016
).
12.
A.
Nozariasbmarz
,
A.
Agarwal
,
Z. A.
Coutant
,
M. J.
Hall
,
J.
Liu
,
R.
Liu
,
A.
Malhotra
,
P.
Norouzzadeh
,
M. C.
Oeztuerk
, and
V. P.
Ramesh
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
05DA04
(
2017
).
13.
J. A.
Lee
,
A. E.
Aliev
,
J. S.
Bykova
,
M. J.
de Andrade
,
D.
Kim
,
H. J.
Sim
,
X.
Leprò
,
A. A.
Zakhidov
,
J.-B.
Lee
,
G. M.
Spinks
,
S.
Roth
,
S. J.
Kim
, and
R. H.
Baughman
,
Adv. Mater.
28
,
5038
(
2016
).
14.
S.
LeBlanc
,
Sustainable Mater. Technol.
1
,
26
(
2014
).
15.
R.
Venkatasubramanian
,
E.
Silvola
,
T.
Colpitts
, and
B.
O'quinn
,
Nature
413
,
597
(
2001
).
16.
Y.
Pei
,
X.
Shi
,
A.
LaLonde
,
H.
Wang
,
L.
Chen
, and
G. J.
Snyder
,
Nature
473
,
66
(
2011
).
17.
D.
Beretta
,
A.
Perego
,
G.
Lanzani
, and
M.
Caironi
,
Sustainable Energy Fuels
1
,
174
(
2017
).
18.
D.
Beretta
,
N.
Neophytou
,
J. M.
Hodges
,
M. G.
Kanatzidis
,
D.
Narducci
,
M.
Martin-Gonzalez
,
M.
Beekman
,
B.
Balke
,
G.
Cerretti
,
W.
Tremel
,
A.
Zevalkink
,
A. I.
Hofmann
,
C.
Müller
,
B.
Dörling
,
M.
Campoy-Quiles
, and
M.
Caironi
,
Mater. Sci. Eng. R
138
,
100501
(
2019
).
19.
D.
Kiefer
,
L.
Yu
,
E.
Fransson
,
A.
Gómez
,
D.
Primetzhofer
,
A.
Amassian
,
M.
Campoy‐Quiles
, and
C.
Müller
,
Adv. Sci.
4
,
1600203
(
2017
).
20.
P.
Cataldi
,
M.
Cassinelli
,
J. A.
Heredia-Guerrero
,
S.
Guzman-Puyol
,
S.
Naderizadeh
,
A.
Athanassiou
, and
M.
Caironi
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1907301
(
2020
).
21.
O.
Bubnova
,
Z. U.
Khan
,
H.
Wang
,
S.
Braun
,
D. R.
Evans
,
M.
Fabretto
,
P.
Hojati-Talemi
,
D.
Dagnelund
,
J.-B.
Arlin
, and
Y. H.
Geerts
,
Nat. Mater.
13
,
190
(
2014
).
22.
R.
Kroon
,
D.
Kiefer
,
D.
Stegerer
,
L.
Yu
,
M.
Sommer
, and
C.
Müller
,
Adv. Mater.
29
,
1700930
(
2017
).
23.
J.
Liu
,
M. P.
Garman
,
J.
Dong
,
B. v d
Zee
,
L.
Qiu
,
G.
Portale
,
J. C.
Hummelen
, and
L. J. A.
Koster
,
ACS Appl. Energy Mater.
2
,
6664–6671
(
2019
).
24.
G.
Zuo
,
X.
Liu
,
M.
Fahlman
, and
M.
Kemerink
,
Adv. Electron. Mater.
28
,
1703280
(
2018
).
25.
J.
Pei
,
X. B.
Lu
,
B.
Yu
, and
Z. X.
Yu
,
Asian J. Org. Chem.
7
,
489
(
2018
).
26.
R.
Kroon
,
D. A.
Mengistie
,
D.
Kiefer
,
J.
Hynynen
,
J. D.
Ryan
,
L.
Yu
, and
C.
Müller
,
Chem. Soc. Rev.
45
,
6147
(
2016
).
27.
C.
Bounioux
,
P.
Díaz-Chao
,
M.
Campoy-Quiles
,
M. S.
Martín-González
,
A. R.
Goni
,
R.
Yerushalmi-Rozen
, and
C.
Müller
,
Energy Environ. Sci.
6
,
918
(
2013
).
28.
C.
Cho
,
M.
Culebras
,
K. L.
Wallace
,
Y.
Song
,
K.
Holder
,
J.-H.
Hsu
,
C.
Yu
, and
J. C.
Grunlan
,
Nano Energy
28
,
426
(
2016
).
29.
S. B.
Schmidt
,
M.
Hönig
,
Y.
Shin
,
M.
Cassinelli
,
A.
Perinot
,
M.
Caironi
,
X.
Jiao
,
C. R.
McNeill
,
D.
Fazzi
,
T.
Biskup
, and
M.
Sommer
,
ACS Appl. Polym. Mater.
2
,
1954–1963
(
2020
).
30.
Y.
Shin
,
M.
Massetti
,
H.
Komber
,
T.
Biskup
,
D.
Nava
,
G.
Lanzani
,
M.
Caironi
, and
M.
Sommer
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1700581
(
2018
).
31.
R. R.
Sondergaard
,
M.
Hoesel
,
N.
Espinosa
,
M.
Jorgenese
, and
F. C.
Krebs
,
Energy Sci. Eng.
1
,
81
(
2013
).
32.
Y.
Chen
,
Y.
Zhao
, and
Z.
Liang
,
Energy Environ. Sci.
8
,
401
(
2015
).
33.
M.
Massetti
,
S.
Bonfadini
,
D.
Nava
,
M.
Butti
,
L.
Criante
,
G.
Lanzani
,
L.
Qiu
,
J. C.
Hummelen
,
L. J. A.
Koster
, and
M.
Caironi
,
Nano Energy
75
,
104983
(
2020
).
34.
H.
Yan
,
N.
Sada
, and
N.
Toshima
,
J. Therm. Anal. Calorim.
69
,
881
(
2002
).
35.
O.
Bubnova
,
Z. U.
Khan
,
A.
Malti
,
S.
Braun
,
M.
Fahlman
,
M.
Berggren
, and
X.
Crispin
,
Nat. Mater.
10
,
429
(
2011
).
36.
B.
Russ
,
A.
Glaudell
,
J. J.
Urban
,
M. L.
Chabinyc
, and
R. A.
Segalman
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16050
(
2016
).
37.
Z.
Zhang
,
G.
Chen
,
H.
Wang
, and
X.
Li
,
Chem. Asian. J.
10
,
149
(
2015
).
38.
C.
Gao
and
G.
Chen
,
Compos. Sci. Technol.
124
,
52
(
2016
).
39.
S.
Zhang
,
Z.
Yu
,
P.
Li
,
B.
Li
,
F. H.
Isikgor
,
D.
Du
,
K.
Sun
,
Y.
Xia
, and
J.
Ouyang
,
Org. Electron.
32
,
149
(
2016
).
40.
S. H.
Lee
,
J. S.
Sohn
,
S. B.
Kulkarni
,
U. M.
Patil
,
S. C.
Jun
, and
J. H.
Kim
,
Org. Electron.
15
,
3423
(
2014
).
41.
J.
Gasiorowski
,
R.
Menon
,
K.
Hingerl
,
M.
Dachev
, and
N. S.
Sariciftci
,
Thin Solid Films
536
,
211
(
2013
).
42.
D.
Beretta
,
A. J.
Barker
,
I.
Maqueira-Albo
,
A.
Calloni
,
G.
Bussetti
,
G.
Dell'Erba
,
A.
Luzio
,
L.
Duò
,
A.
Petrozza
,
G.
Lanzani
, and
M.
Caironi
,
ACS Appl. Mater. Interface
9
,
18151–18160
(
2017
).
43.
S.
Zhang
,
Z.
Fan
,
X.
Wang
,
Z.
Zhang
, and
J.
Ouyang
,
J. Mater. Chem. A
6
,
7080
(
2018
).
44.
D. A.
Mengistie
,
M. A.
Ibrahem
,
P.-C.
Wang
, and
C.-W.
Chu
,
Appl. Mater. Int.
6
,
2292
(
2014
).
45.
Q.
Zhu
,
E.
Yildirim
,
X.
Wang
,
X. Y.
Debbie Soo
,
Y.
Zheng
,
T. L.
Tan
,
G.
Wu
,
S.-W.
Yang
, and
J.
Xu
,
Front. Chem.
7
,
783
(
2019
).
46.
C.
Liu
,
F.
Jiang
,
M.
Huang
,
R.
Yue
,
B.
Lu
,
J.
Xu
, and
G.
Liu
,
J. Electron. Mater.
40
,
648
(
2011
).
47.
C.
Liu
,
B.
Lu
,
J.
Yan
,
J.
Xu
,
R.
Yue
,
Z.
Zhu
,
S.
Zhou
,
X.
Hu
,
Z.
Zhang
, and
P.
Chen
,
Synth. Met.
160
,
2481
(
2010
).
48.
X.
Wang
,
P.
Liu
,
Q.
Jiang
,
W.
Zhou
,
J.
Xu
,
J.
Liu
,
Y.
Jia
,
X.
Duan
,
Y.
Liu
,
Y.
Du
, and
F.
Jiang
,
Appl. Mater. Int.
11
,
2408
(
2019
).
49.
M.
Scholdt
,
H.
Do
,
J.
Lang
,
A.
Gall
,
A.
Colsmann
,
U.
Lemmer
,
J. D.
Koenig
,
M.
Winkler
, and
H.
Boettner
,
J. Electron. Mater.
39
,
1589
(
2010
).
50.
K.-C.
Chang
,
M.-S.
Jeng
,
C.-C.
Yang
,
Y.-W.
Chou
,
S.-K.
Wu
,
M. A.
Thomas
, and
Y.-C.
Peng
,
J. Electron. Mater.
38
,
1182
(
2009
).
51.
F.-X.
Jiang
,
J.-K.
Xu
,
B.-Y.
Lu
,
Y.
Xie
,
R.-J.
Huang
, and
L.-F.
Li
,
China Phys. Lett.
25
,
2202–2205
(
2008
).
52.
G.-H.
Kim
,
L.
Shao
,
K.
Zhang
, and
K. P.
Pipe
,
Nat. Mater.
12
,
719
(
2013
).
53.
Q.
Jiang
,
C.
Liu
,
H.
Song
,
H.
Shi
,
Y.
Yao
,
J.
Xu
,
G.
Zhang
, and
B.
Lu
,
J. Mater. Sci.
24
,
4240
(
2013
).
54.
J.
Nevrela
,
M.
Micjan
,
M.
Novota
,
S.
Kovacova
,
M.
Pavuk
,
P.
Juhasz
,
J.
Kovac
,
J.
Jakabovic
, and
M.
Weis
,
J. Polym. Sci.
53
,
1139
(
2015
).
55.
C.
Yi
,
A.
Wilhite
,
L.
Zhang
,
R.
Hu
,
S. S. C.
Chuang
,
J.
Zheng
, and
X.
Gong
,
Appl. Mater. Int.
7
,
8984
(
2015
).
56.
J.
Xiong
,
F.
Jiang
,
W.
Zhou
,
C.
Liu
, and
J.
Xu
,
RSC Adv.
5
,
60708
(
2015
).
57.
J.
Luo
,
D.
Billep
,
T.
Blaudeck
,
E.
Sheremet
,
R. D.
Rodriguez
,
D. R. T.
Zahn
,
M.
Toader
,
M.
Hietschold
,
T.
Otto
, and
T.
Gessner
,
J. Appl. Phys.
115
,
054908
(
2014
).
58.
E.
Liu
,
C.
Liu
,
Z.
Zhu
,
H.
Shi
,
Q.
Jiang
,
F.
Jiang
,
J.
Xu
,
J.
Xiong
, and
Y.
Hu
,
J. Polym. Res.
22
,
240
(
2015
).
59.
S.
Liu
,
H.
Deng
,
Y.
Zhao
,
S.
Ren
, and
Q.
Fu
,
RSC Adv.
5
,
1910
(
2015
).
60.
M. P.
Gordon
,
E. W.
Zaia
,
P.
Zhou
,
B.
Russ
,
N. E.
Coates
,
A.
Sahu
, and
J. J.
Urban
,
J. Appl. Polym. Sci.
134
,
44070
(
2016
).
61.
Z.
Fan
,
D.
Du
,
Z.
Yu
,
P.
Li
,
Y.-J.
Xia
, and
J.
Ouyang
,
Appl. Mater. Int.
8
,
35
(
2016
).
62.
J.
Kim
,
J. G.
Jang
,
J.-I.
Hong
,
S. H.
Kim
, and
J.
Kwak
,
J. Mater. Sci.
27
,
6122
(
2016
).
63.
S. R. S.
Kumar
,
N.
Kurra
, and
H. N.
Alshareef
,
J. Mater. Chem. C
4
,
215
(
2016
).
64.
T. O.
Poehler
and
H. E.
Katz
,
Energy Environ. Sci.
5
,
8110
(
2012
).
65.
S. H.
Lee
,
H.
Park
,
W.
Son
,
H. H.
Choi
, and
J. H.
Kim
,
J. Mater. Chem. A
2
,
13380
(
2014
).
66.
N.
Massonnet
,
A.
Carella
,
O.
Jaudouin
,
P.
Rannou
,
G.
Laval
,
C.
Cellea
, and
J.-P.
Simonato
,
J. Mater. Chem. C
2
,
1278
(
2014
).
67.
T.-C.
Tsai
,
H.-C.
Chang
,
C.-H.
Chen
, and
W.-T.
Whang
,
Org. Electron.
12
,
2159
(
2011
).
68.
O.
Bubnova
,
M.
Berggren
, and
X.
Crispin
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
16456
(
2012
).
69.
Z.
Fan
,
P.
Li
,
D.
Du
, and
J.
Ouyang
,
Adv. Energy Mater.
7
,
1602116
(
2017
).
70.
I.
Petsagkourakis
,
E.
Pavlopoulou
,
E.
Cloutet
,
Y. F.
Chen
,
X.
Liu
,
M.
Fahlman
,
M.
Berggren
,
X.
Crispin
,
S.
Dilhaire
,
G.
Fleurya
, and
G.
Hadziioannou
,
Org. Electron.
52
,
335
(
2018
).
71.
Y.
Wang
,
C.
Zhu
,
R.
Pfattner
,
H.
Yan
,
L.
Jin
,
S.
Chen
,
F.
Molina-Lopez
,
F.
Lissel
,
J.
Liu
,
N. I.
Rabiah
,
Z.
Chen
,
J. W.
Chung
,
C.
Linder
,
M. F.
Toney
,
B.
Murmann
, and
Z.
Bao
,
Sci. Adv.
3
,
e1602076
(
2017
).
72.
C. M.
Palumbiny
,
F.
Liu
,
T. P.
Russell
,
A.
Hexemer
,
C.
Wang
, and
P.
Muller-Buschbaum
,
Adv. Mater.
27
,
3391
(
2015
).
73.
G.
Zotti
,
S.
Zecchin
,
G.
Schiavon
,
F.
Louwet
,
L.
Groenendaal
,
X.
Crispin
,
W.
Osikowicz
,
W.
Salaneck
, and
M.
Fahlman
,
Macromolecules
36
,
3337
(
2003
).
74.
Y. H.
Kim
,
C.
Sachse
,
M. L.
Machala
,
C.
May
,
L.
Muller-Meskamp
, and
K.
Leo
,
Adv. Funct. Mater.
21
,
1076
(
2011
).
75.
G.
Greczynski
,
T.
Kugler
, and
W.
Salaneck
,
Thin Solid Films
354
,
129
(
1999
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.