THECLA Thermoelektrizität in Clathraten

Status

laufend

Kurzfassung

Thermoelektrische Materialien können Wärmegradienten in elektrische Energie umzuwandeln (Seebeckeffekt) und elektrischen Strom zur aktiven Kühlung verwenden (Peltiereffekt). Obwohl beide Phänomene seit Langem bekannt sind, werden sie erst in jüngster Zeit für eine wachsende Anzahl von Anwendungen in Betracht gezogen. Die der thermoelektrischen Energieumwandlung eigene Abwesenheit bewegter mechanischer Teile, die damit verbundene erschütterungs- und schwingungsfreie Funktion und die Geräuschlosigkeit der Anwendung sind von besonderem Interesse.

Die Effizienz der direkten Konversion von thermischer in elektrische Energie wird durch Materialeigenschaften bestimmt und kann über eine einfache Relation angegeben werden: ZT = S²T/(ρκ). Materialien, deren Leistungskennzahl ZT den Wert 1 erreicht oder übertrifft, werden als potentielle Kandidaten für thermoelektrische Anwendungen angesehen. Der Leistungskennzahl entsprechend müssen Materialien für thermolektrische Anwendungen einen großen Seebeckeffekt (S) besitzen, während der elektrische Widerstand (ρ) und die thermische Leitfähigkeit (κ) klein sein müssen, um Joul'sche Verluste zu vermeiden, bzw. einen Temperaturgradienten längs der thermoelektrischen Anwendung aufrecht erhalten zu können.

Technisch erprobte Materialien, die diesen Kriterien genügen (Bi-Te, Pb-Te, Si-Ge, ...), finden sich vorwiegend in einem schmalen Übergangsbereich zwischen einem metallischen und einem isolierenden Zustand und weisen eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 10²⁰ cm^-3 auf. Ihr Wirkungsgrad η ist begrenzt durch die maximal erreichbaren Werte von ZT; für eine Temperaturdifferenz von 100 K und ZT = 1 beträgt dieser η ~ 0.1.

Neue Konzepte und neue Generationen von thermoelektrischen Materialien haben diesen Schwellenwert (ZT ~ 1) in den vergangenen Jahren nach oben gerückt und damit thermoelektrische Materialien zur realistischen Alternative in vielen Anwendungen gemacht.

Im Zentrum des vorliegenden Forschungsvorhabens steht die Materialfamilie der Clathrate, die durch eine käfigartige Kristallstruktur dem viel diskutierten phonon-glass, electron-crystal (PGEC) Konzept in beinahe idealer Weise entspricht. In einem PGEC wird Wärme glasartig (also sehr schlecht) geleitet, während elektrische Ladung sich wie in einem Kristall praktisch ungestört bewegt. Im Fall der Clathrate scheint die niedrige thermische Leitfähigkeit durch starke Streuung der Phononen (Wärmeträger) an den großen thermischen Auslenkungen der Gastatome bedingt zu sein, die in den Hohlräumen (Käfigen) der Kristallstruktur nur schwach gebundenen sind. Der relativ niedrige elektrische Widerstand hingegen dürfte dadurch bedingt sein, dass die Ladungsträger sich entlang der starren (kovalent gebundenen) Käfigstruktur bewegen.

Ziel des Forschungsprojektes THECLA ist die Optimierung der thermoelektrischen Leistungsfähigkeit von Typ I-Clathraten. Durch die gezielte Dotierung bzw. Substitution mit anderen Elementen wird eine Ausgangssubstanz, z.B. Ba₈Ga₁₆Ge₃₀, derart verändert, dass sie den oben erwähnten Anforderungen möglichst nahe kommt. Zusätzlich werden im Rahmen von THECLA verschiedene Methoden der Mikro- und Nano-Strukturierung von Clathraten untersucht, um die thermoelektrische Leistungsfähigkeit weiter zu steigern. Publizierte Untersuchungen an einfachen Modellsystemen zeigen das große Potential derartiger Strukturierung. Einerseits kann sie die freie Weglängen der wärmetragenden Phononen effizient kürzen und somit die thermische Leitfähigkeit reduzieren, andererseits kann sie über quantenmechanische confinement Effekte den Seebeckeffekt stark erhöhen.

Projekt- und Kooperationspartner

• E. Bauer - Inst. f. Festkörperphysik
• Uni Wien-Inst. f. Physikalische Chemie

TU Wien - Festkörperphysik
Karlsplatz 13
1040 Wien
RKZ: 90401 EU-Zielgebiet: --
techn. Ansprechpartner: Prof. Silke Bühler-Paschen
Tel.: +43 1 / 58801-13716
kaufm. Ansprechpartner: Prof. Ernst Bauer
Tel.: +43 1 / 58801-13160