Verbesserung des thermoelektrischen Wirkungsgrades nanostrukturierter Materialien
Abwärme wird überall um uns herum erzeugt, wo auch immer Arbeit verrichtet wird: von den Geräten, die in unseren Häusern laufen, von unseren Fahrzeugen, Zügen und Bussen, sowie von unseren Fabriken und Kraftwerken. All diese Abwärme kann durch den Einsatz thermoelektrischer Materialien in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Solche Materialien sollten daher eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen. In der Regel sind thermoelektrische Materialien jedoch eher ineffizient. Deswegen untersuchen Forschende mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts NANOthermMA (Advanced Simulation Design of Nanostructured Thermoelectric Materials with Enhanced Power Factors) bereits seit 2016, wie Materialien nanostrukturiert werden können, um so ihren thermoelektrischen Wirkungsgrad zu verbessern. Dieser Wirkungsgrad ist durch die Gütezahl ZT gekennzeichnet. ZT steht dabei für eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit, der absoluten Temperatur und des Seebeck-Koeffizienten. Letzterer ist ein Maß für die als Reaktion auf eine Temperaturdifferenz in einem thermoelektrischen Material induzierte Spannung. Ein effizientes Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit würde einen hohen ZT-Wert aufweisen. Da durch die Nanostrukturierung bereits eine signifikante Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit erreicht wurde, müssen sich weitere Verbesserungen nun auf die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und die Aufrechterhaltung eines hohen Seebeck-Koeffizienten konzentrieren. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass diese beiden Größen umgekehrt proportional zueinander sind – jeder Versuch, die eine zu erhöhen, verringert die andere. Deshalb haben die Forschenden von NANOthermMA Untersuchungen dazu angestellt, wie Materialien nanostrukturiert werden können, welche die zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und dem Seebeck-Koeffizienten bestehende „nachteilige gegenseitige Abhängigkeit lockern“, wie in einem auf der Website „Open Access Government“ veröffentlichten Artikel treffend beschrieben wird. „Durch eine Reihe numerisch intensiver Simulationen mit einer im Rahmen des Projekts entwickelten fortschrittlichen Software hat NANOthermMA theoretisch gezeigt, wie mittels Nanotechnologie die nachteilige gegenseitige Abhängigkeit dieser Parameter aufgehoben und sogar eine 20-fache Erhöhung des Leistungsfaktors erzielt werden kann. Bei dem Leistungsfaktor handelt es sich um das Produkt aus der elektrischen Leitfähigkeit und dem Seebeck-Koeffizienten zum Quadrat, und damit um eine Größe, die sich direkt auf den Wirkungsgrad ZT auswirkt“, schreibt Prof. Neophytos Neophytou vom Projektkoordinator Universität Warwick in dem Artikel.
Nanostrukturierte Materialgeometrie
Die Lösung des Forschungsteams liegt in nanostrukturierten Eigenschaften wie Nanokörnern und Korngrenzen. „Innerhalb dieser Geometrie wird an bestimmten Stellen eine weitere Art Dotieratome eingefügt – Dotieratome sind Verunreinigungen, welche die elektrische Leitfähigkeit des Materials erhöhen. Durch die sorgfältige Konzipierung der Domänengrößen, der Art der Grenzen und der Verteilung der Dotierstoffe kann erreicht werden, dass die elektrische Leitfähigkeit in erster Linie durch die Nanodomänen und der Seebeck-Koeffizient durch die Grenzen bestimmt wird, wobei beide unabhängig voneinander eingestellt werden können“, erklärt Prof. Neophytou. Die Gestaltung der nanostrukturierten Materialien kann außerdem durch eine hierarchische Nanostrukturierung, bei der Nanoeinschlüsse in die Nanodomänen eingebracht werden, noch weiter verbessert werden. Dies trägt dazu bei, die Wärmeleitfähigkeit noch stärker zu reduzieren, und hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Seebeck-Koeffizient unabhängig davon erhöht wird. Ziel des Teams von NANOthermMA ist es, zu untersuchen, ob diese Theorie in die Praxis umgesetzt werden kann. Im Erfolgsfall könnte dies den Weg für thermoelektrische Materialien mit hohen ZT-Werten und letztlich auch einer höheren Effizienz ebnen. Weitere Informationen: NANOthermMA-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
NANOthermMA, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient, thermoelektrisch, nanostrukturiert
