Arbeitsgruppe mit Rektor und Ministerin Svenja Schulze bei der Entgegennahme des Innovationspreises


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.



TEG 2012
Thermogenerator eigener Herstellung aus nanokristallinem Silizium



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.

Seebeck

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



Nanoskaliges Silizium
Nanoskaliges Silizium


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.

Da thermoelektrisches Nanopulver versintert wird, spielt darüber hinaus der Peltier-Effekt eine große Rolle beim Sintern. An der Grenzfläche zwischen Nanopulver und Graphitelektrode wird entweder Peltier-Wärme deponiert oder aber entnommen, wodurch ein Temperaturgradient entlang der Pressrichtung entsteht. Dieser hat erhebliche Auswirkungen auf die Probenmorphologie sowie die elektrischen Eigenschaften.


Literatur:

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).

Becker. A.; Angst. S.; Schmitz, A.; Engenhorst, M.; Stötzel, J.; Gautam, D.; Wiggers, H.; Wolf, D.E.; Schierning, G.; Schmechel, R., The Effect of Peltier Heat During Current Activated Densification, Appl. Phys. Lett. 101, 013113, 2012



Pn Übergänge für die Thermoelektrik


Ein bislang wenig untersuchtes Themengebiet im Bereich der Thermoelektrik ist das Verhalten von pn-Übergängen, wenn diese zusätzlich einen parallel zu Grenzfläche angelegten Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Lassen sich hier zusätzliche Spannungsbeiträge messen? Lassen sich solche Strukturen praktisch anwenden? Dann müsste das Design von Thermoelektrischen Generatoren TEG's neu überdacht werden.


pnTE


Generatorbau


Der Bau eines auf nanokristallinen Siliziums bestehenden Thermogenerators wird in einem AiF-Kooperations-Projekt (AiF-Projekt in Kooperation mit dem IUTA und der SLV) durchgeführt. Von dem Kooperationspartner IUTA werden hoch dotierte Silizium-Nanopartikel in einem skalierbaren Gasphasenprozess synthetisiert. Die Nanopartikel werden mittels Stromsintern (Spark-Plasma-Sintern) zu Festkörpern kompaktiert, welche auch nach dem Sintern die nanoskalige Natur der Partikel aufweisen [1].

Für den Generatorbau wird das so erhaltene nanokristalline Silizium anschließend elektrochemisch metallisiert und in die notwendige Geometrie (viele kleine Klötzchen) gebracht [2]. Die Klötzchen werden dann vom Kooperationspartner SLV mittels Silbersintern zu thermoelektrischen Generatoren gefügt (siehe Bild).

Beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde eine solcher Generator mit 100 Elementen (Klötzchen) charakterisiert. Der Generator hielt eine Messung bei einer Heißseitentemperatur von 600 °C und einer Kaltseitentemperatur von 300 °C bei einem Druck von 1.5 MPa gut aus und lieferte dabei eine elektrische Leistung von 1 W.

Literatur:
[1] V. Kessler, D. Gautam, T. Hülser, M. Spree, R. Theissmann, M. Winterer, H. Wiggers, G. Schierning, R. Schmechel, Adv. Eng. Mater. 2012, 15, 379.
[2] V. Kessler, M. Dehnen, R. Chavez, M. Engenhorst, J. Stoetzel, N. Petermann, K. Hesse, T. Huelser, M.  Spree, G. Schierning and R. Schmechel, MRS Online Proceedings Library 2013, 1553.

 


 
 
 

Metallisierte Silizium-Thermoelemente 
Metallisierte Silizium-Thermoelemente

 


TEG