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Plenarvortrag kurz

Thermoelektrische Materialien - Optimierung des Eigenschaftsprofils über innere Grenzflächen und Kristallanisostropie

Donnerstag (22.09.2016)
14:10 - 14:30 Uhr Hörsaal A
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Thermoelektrische Materialien erlauben die Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom und umgekehrt. Sie stehen angesichts der Fragestellungen zur Energieversorgung/Energiewende im Fokus zahlreicher materialwissenschaftlicher Forschungsarbeiten. Die Herausforderung bei der Entwicklung thermoelektrischer Materialien besteht darin, dass für eine hohe Effizienz die elektrische Leitfähigkeit hoch, die thermische Leitfähigkeit aber niedrig sein muss. Nach dem Wiedemann-Franzschen Gesetz sind diese beiden Größen aber gekoppelt, d.h. eine hohe elektrische Leitfähigkeit geht in der Regel auch mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit einher. Zur Entkopplung werden in der Literatur mehrere Konzepte genannt, unter anderem die Einführung einer zweiten Phase mit hoher Grenzflächendichte. Die wärmeleitenden Phononen sollen an den Grenzflächen gestreut werden, die Elektronen aber ungehindert passieren können. Während dieses Konzept häufig genannt und zur Erklärung vorteilhafter Eigenschaften herangezogen wird, ist es bislang noch nicht systematisch untersucht worden.

Durch Variation der Herstellungsbedingungen im quasibinären eutektischen System Bi2Te3-In2Te3 ist es möglich, Grenzflächendichten in einem weiten Bereich gezielt einzustellen. Einerseits können bei gerichteter Erstarrung die Diffusionsprozesse in der Schmelze Lamellenabstände bis zu 10µm erzeugen, andererseits können bei der Ausscheidung plattenförmiger Zweitphase die Diffusionsprozesse im Festkörper zu wesentlich feineren Strukturen mit typischen Lamellenabständen von ca. 100nm führen. Gleichzeitig lässt sich bei den Gefügen eine ausgeprägte Vorzugsrichtung in Matrix und Zweitphase einstellen, wodurch die kristallographisch vorteilhafteste Richtung zum Transport für Wärme und Strom ausgenützt werden kann.

Es ergibt sich, dass eine hohe Grenzflächendichte allein noch keine Verbesserung der Leistungsfähigkeit von thermoelektrischen Materialien garantieren kann, sondern zusätzliche Effekte die Lage wesentlich verkomplizieren. Dennoch ist mit dem richtigen Gefüge eine Leistungssteigerung um ca. einen Faktor 3 möglich. Weitere Verbesserungen sind noch über Impfen mit weiteren Legierungselementen zu erzielen.

 

Sprecher/Referent:
Prof. Dr. Markus Rettenmayr
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Weitere Autoren/Referenten:
  • Dr. Dongmei Liu
    Friedrich-Schiller-Universität Jena