Physico-chemical material delevopment for the manufacturing of thermoelectric generators

Abstract

Der thermoelektrische Effekt kann zur direkten Umwandlung von thermischer in elektrischeEnergie genutzt werden. Aufgrund der großen Menge Abwäarme in vielen Industriebereichen ist die Anwendung dieses Effekts hier vielversprechend, um die Gesamte Effizienz der Energiewandlung zu erhöhen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die zwei Hauptforschungsfelder: Die Erforschung und Verbesserung thermoelektrischer Materialien und die Produktionstechnologie von thermoelektrischen Generatoren (TEGs). Bislang wurden thermoelektrische Materialien vor allem hinsichtlich ihrer resultierenden Effizienz bei der Energieumwandlung bewertet. In dieser Arbeit wird hingegen das Konzept, sich stattdessen auf den Leistungsfaktor zu fokussieren, weiter untersucht. Ein Review zu thermoelektrischen Materialien für Hochtemperaturanwendungen beschreibt dies und vergleicht verschiedene im Fokus stehende Materialklassen sowohl hinsichtlich der Effizienz als auch des Leistungsfaktors. Als Ergebnis dieser Diskussion werden verschiedene Konzepte zur Optimierung von Materialien untersucht: Zur Optimierung der Effizienz wurde ein Hybridmaterial entwickelt, dass verschiedene Klassen von Materialien kombiniert, um synergetische Effekte zu erzielen. Das entwickelte Hybridmaterial zeigte aufgrund der geschaffenen Heteromaterial-Grenzflächen eine außergewöhnlich niedrige thermische Leitfähigkeit. Dadurch eignet sich dieses Konzept besonders wenn eine hohe Effizienz erreicht werden soll. Für eine Optimierung der elektrischen Leistung wurden Cu-Ni-Legierungen als vielversprechende Materialien untersucht. Die Cu-Ni Legierungen wurden aus Nanopartikeln hergestellt und mit schweren Elementen legiert, wodurch sowohl der Leistungsfaktor als auch die Effizienz bei geringen Dotierungsmengen gesteigert werden konnte. Auch bei der Herstellung von TEGs besteht ein Optimierungspotenzial, da die Prdouktionskosten einen großen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen. Hierfür wurde eine Fertigungsroute entwickelt, die schnelle und skalierbare Produktionstechnologie mit laserbasierten Prozessen kombiniert. Die Schichten wurden durch Sprühbeschichtung hergestellt und das Design anschließend durch den Einsatz eines CO2-Lasers strukturiert. Der entworfene TEG-Prototyp erreicht eine maximale elektrische Leistung von 1,6 µW cm-2. Die entwickelte Herstellungsroute erlaubt eine präzise Kontrolle über die Schichtdicke und die exakte Geometrie. Schließlich wurde das Konzept laserinduzierter Prozesse für thermoelektrische Anwendung, z.B. zum Sintern, anhand einer Laserbehandlung einer gesprühten CCO Schicht untersucht. Durch den Einsatz eines CO2-Lasers konnte hierbei eine beginnende Versinterung der CCO-Schicht beobachtet werden. Die Kombination aus Laser- und thermischer Behandlung zeigte eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, was das Potenzial dieses Konzept in der Herstellung von thermoelektrischen Materialien und Generatoren integriert zeigt.