Thermoelektrische Materialien im Nanobereich

Die Entwicklung thermoelektrischer Materialien im Nanobereich mit verbesserten Eigenschaften erschließt neue Möglichkeiten bei terrestrischen und raumfahrttechnischen Anwendungen.

Thermoelektrische Materialien sind Halbleiter, die sowohl Heiz- als auch Kühlfähigkeiten besitzen. Sie eignen sich somit zur Erzeugung elektrischer Energie und für Kühlprozesse. Da sie im Unterschied zu anderen Techniken zur Erwärmung und Kühlung kein Trägergas benötigen, sind sie weiträumiger verwendbar.

Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern ändern sich mit wechselnden Temperaturen erheblich, wobei jedes Material einen ganz eigenen effektiven Betriebsbereich besitzt. Ein thermoelektrischer Gütefaktor, der ZT-Wert, ist für jedes Material einzigartig, wobei ein hoher ZT-Wert einer besseren thermodynamischen Leistung entspricht. Am häufigsten werden für Halbleiterelemente Wismut-Tellurid-Legierungen (Bi-Te) verwendet.

Es wurde jetzt ein neuartiges chemisches Legierungsverfahren entwickelt, mit dem solche Legierungen im Nanobereich hergestellt werden können. Aus einer Lösung, die Bi und Te enthält, wird ein Ausgangsmaterial des Endprodukts ausgefällt. Dieses besteht aus einer festen Lösung verschiedener Zwischenprodukte und ist hochgradig reaktiv.

Um die Legierung der Ausgangsstoffe zu erreichen, werden sie auf 350°C erhitzt, wodurch bei einer hervorragenden Ausbeute von 95-98% das reine thermoelektrische Material entsteht. Dieses Verfahren wird auch zur Entwicklung nanokristalliner Skutterudite mit einer Reinheit mehr als 95% verwendet.

Die entwickelte Technologie zur chemischen Legierung ist einfacher als die herkömmlichen Schmelzverfahren. Die Legierungen können so verbessert werden, dass nanokristalline Materialien mit höheren ZT- und TE-Werten entstehen – bei gleichzeitig niedrigeren Produktionskosten als bisher erreichbar.

Es wird erwartet, dass dies zur Herstellung von thermoelektrischen Geräten zur Energiegewinnung, Kühlung und Sensorik führt, die sowohl für den Einsatz auf der Erde als auch in der Raumfahrt geeignet sind. Zu diesem Zweck werden Partner gesucht, die das Verfahren zur industriellen Reife führen und die aus den entwickelten Materialien fertige Endprodukte herstellen könnten.