Arbeitsgruppe: Thermoelektrik

Die Sicherstellung einer umweltfreundlichen Energieversorgung ist eines der zentralen Probleme dieses Jahrhunderts. Energieeinsparkonzepte und die Rückgewinnung von Energie durch intelligentes Abwärmemanagement sind wesentliche Bestandteile eines verantwortungsvollen Umgangs mit Ressourcen. Thermogeneratoren können Abwärme in nutzbare elektrische Energie wandeln. Von Industrieseite wird in dieser Technologie ein realistisches Einsparpotential gesehen. Die Voraussetzung für die Nutzbarmachung ist allerdings die Verfügbarkeit effizienter Wandlermaterialien im industriellen Maßstab, die momentan noch nicht gegeben ist.

Die Anforderungen an die Materialentwicklung sind jedoch klar: Thermowandler müssen einen hohen intrinsischen Materialwirkungsgrad aufweisen, aus einem auch für Massenproduktion geeigneten, verfügbaren Rohmaterial synthetisierbar sein und eine hohe Langzeitstabilität besitzen.

Ein hoher intrinsischer Materialwirkungsgrad lässt sich durch Nanostrukturierung des Materials erreichen. Hintergrund ist die Forderung, dass das Wandlermaterial sowohl eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollte, um den Innenwiderstand des Generators zu reduzieren, als auch eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit, sodass die Abwärme nicht ungenutzt durch Wärmeleitung verloren geht. Diese gegenläufigen Forderungen erfordern ein Materialdesign auf der Nanometerskala, wie es durch die Methoden der Nanotechnologie möglich ist.

In unserer Gruppe verfolgen wir verschiedene Ansätze, nanoskalige thermoelektrische Materialien zu entwickeln oder zu optimieren. Silizium ist ein Halbleiter, der als nicht nanostrukturiertes, kristallines Material eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und daher nur einen sehr schlechten Wirkungsgrad als thermoelektrischer Wandler zeigt. Startet man von Silizium-Nanopartikeln und kompaktiert diese zu einem nanoskaligen Körper, kann man dadurch die Effizienz verbessern: Die Korngrenzen wirken als Streuzentren für Phononen und reduzieren somit die Wärmeleitung. Würde es gelingen, diese Effizienz soweit zu optimieren, dass das Material konkurrenzfähig wird, hätte man einen thermoelektrischen Wandler, der aus ungiftigem, im Überfluss vorhandenem Rohmaterial hergestellt wird! (SPP 1386 und NETZ)

Allerdings ist Silizium per se natürlich sehr oxidationsanfällig. Daher versuchen wir ebenfalls, oxidische Halbleiter für Hochtemperaturanwendungen zu entwickeln. Oxide sind zwar meist schlechtere Transportmaterialien als z.B. klassische Halbleiter wie Silizium und Germanium, aber dafür eben wesentlich robuster in realistischen Einsatzsituationen.

Ansprechpartnerin: Dr. Gabi Schierning

Forschungshighlights:

Strom-Sintern von Nanopartikeln

Unser nanoskaliges Silizium wird durch einen Strom-Sinter-Prozess verdichtet. Kürzlich ist es in einer kombinierten experimentellen und theoretischen Arbeit gelungen zu zeigen, wie Perkolationseffekte in der Pulverschüttung die sich ausbildende Mikrostruktur beim Sintern beeinflussen: An den Strompfaden, die sich durch das Nanopulver ziehen, wird Joulsche Wärme freigesetzt. Es entstehen Hot-Spots an Stellen, an denen der Widerstand am größten ist. Hier schmilzt das Material auf und kann sich umlagern, was zur Verdichtung der Probe führt. Dichteschwankungen entlang der Strompfade sind daher charakteristisch für auf diese Weise gesinterte Proben.

D. Schwesig, G. Schierning, R Theissmann, N. Stein, N. Petermann, H. Wiggers, R. Schmechel and D. E. Wolf, From nanoparticles to nanocrystalline bulk: percolation effects in field assisted sintering of silicon nanoparticles, Nanotechnology 22 (2011) 135601 (9pp).

Pn Übergänge für die Thermoelektrik

Ein bislang wenig untersuchtes Themengebiet im Bereich der Thermoelektrik ist das Verhalten von pn-Übergängen, wenn dieser zusätzlich einen parallel zu Grenzfläche angelegten Temperaturgradienten ausgesetzt ist. Lassen sich hier zusätzliche Spannungsbeiträge messen? Wie verschieben sich die Potentiale, wenn es zum so genannten Fermi-Pinning kommt? Lassen sich solche Strukturen paraktisch anwenden? Dann müsste das Design von Thermoelektrischen Generatoren TEG's neu überdacht werden.

Generatorbau

Der Bau eines auf nanoskaligen Siliziums bestehenden Thermogenerators wird in einem AiF-Kooperations-Projekt durchgeführt. Hierbei werden Silizium-Nanopartikel mittels Spark-Plasma-Sintern kompaktiert und die Sinterlinge anschließend metallisiert, bevor diese getrennt und gefügt werden.

Metallisierte Silizium-Thermoelemente