Ein wichtiges Forschungsgebiet ist daher die Umwandlung von Wärme in Elektrizität.
Thermoelektrische Module haben in den letzten Jahren aufgrund ihres großen Potenzials zur Erzeugung elektrischer Energie aus Temperaturunterschieden in Geräten und tragbaren Stromversorgungen an Bedeutung gewonnen. Thermoelektrische Bauelemente wandeln thermische Energie mithilfe des Seebeck-Effekts in elektrische Energie um.
Diese Bauelemente basieren auf den Eigenschaften bestimmter Materialien, die bei Temperaturänderungen Wärme in eine elektrische Spannung umwandeln. Wird eine Spannung angelegt, erwärmen sie sich auf der einen Seite und kühlen sich auf der anderen ab. Elektronen wandern vom warmen zum kalten Ende des Materials und bilden so positive und negative Elektroden und damit die elektrische Spannung. Dieser Effekt, bekannt als Peltier-Seebeck-Effekt, ist vollständig reversibel und tritt nur bei wenigen Materialien auf.

Die wichtigsten Materialien für thermoelektrische Bauelemente sind p- und n-leitende Halbleiter. Am häufigsten werden Bismuttellurid, Antimontellurid und Silizium-Germanium verwendet, entweder überdotiert (n-leitend) oder unterdotiert (p-leitend). Die grundlegende Herausforderung bei der Entwicklung effizienter thermoelektrischer Materialien besteht darin, dass diese elektrische Leitfähigkeit sehr gut, Wärmeleitfähigkeit jedoch gering sein muss. Die
meisten dieser Materialien sind Metalllegierungen. Bestimmte Metalllegierungen, wie beispielsweise Silizium-Germanium-Verbindungen, eignen sich ebenfalls für die Herstellung thermoelektrischer Bauelemente. Die derzeit höchsten Ausbeuten erzielen epitaktische Multilayer-Strukturen auf Basis von Sb₂Te₃/Bi₂Te₃ („Dünnschicht-Thermoelektrik-Bauelemente mit hohen Gütezahlen bei Raumtemperatur“ (R. Venkatasubramanian et al., 2001)) und Quantenpunkt-Übergitter auf Basis von PbTeSe-Einschlüssen in einer PbTe-Matrix („Quantenpunkt-Übergitter-Thermoelektrik-Materialien und -Bauelemente“ (TC Harman et al., 2002)).
Auf struktureller Ebene finden sich verschiedene Arten von thermoelektrischen Bauelementen, wie z. B. Festkörperzellen. Diese Module benötigen primär Wärmeableitungselemente, wie z. B. Kühlkörper oder großflächige Oberflächen. Ein weiterer Zelltyp, der sich in der Entwicklung befindet, ist das Hybridbauelement (teilweise fest, teilweise gedruckt). Derzeit werden mögliche Hybridisierungen untersucht, um die Oberfläche, auf die das Bauelement aufgebracht werden soll – sowohl zylindrisch als auch flach –, besser zu optimieren.

Ein Beispiel hierfür findet sich im folgenden Artikel: „Verbesserte elektrische Transporteigenschaften durch Defektkontrolle für im Siebdruckverfahren hergestellte Bi₂Te₃-Filme über einen weiten Temperaturbereich“ (Jingjing Feng et al., 2020). In dieser Arbeit werden im Siebdruckverfahren hergestellte thermoelektrische Dünnschichtbauelemente (TEDs) behandelt, die sich aufgrund ihrer geringen Leistungsfähigkeit und vor allem ihrer unzureichenden elektrischen Transporteigenschaften noch in der Entwicklungsphase befinden.

Durch die Einführung einer Tellur-basierten Überschweißung (Te-NS) wurde eine leistungsstarke, im Siebdruckverfahren hergestellte Bi₂Te₃-Folie entwickelt, um gleichzeitig die Bildung von Leitkanälen und die Defektkontrolle zu erreichen. Die verbesserte Ladungsträgermigration erhöht die elektrische Leitfähigkeit um das Siebenfache, mit einem Leistungsfaktor von 4,65 W*cm⁻¹*K⁻². Gleichzeitig wird der Bildungsmechanismus der im Siebdruckverfahren hergestellten Bi₂Te₃-Folie durch die Einführung der Te-NS und die bipolare Leitung reduziert, indem entweder die bipolare Erzeugung von Bi₂Te₃ erhöht oder die bipolare Leitung stärker unterdrückt wird. Dies führt zu einer Temperaturverzögerung und maximiert den Seebeck-Koeffizienten.
Dadurch wird ein hoher technischer Leistungsfaktor mit exzellenter Temperaturlinearität erzielt, was ein Potenzial für die Anwendung im Siebdruck nahelegt. Bei einem Temperaturgradienten von 105 K über einen weiten Temperaturbereich von 303 bis 478 K werden eine Leerlaufspannung von 11,34 mV und eine maximale Ausgangsleistung von 27,1 W erreicht. Diese Studie liefert eine theoretische und praktische Grundlage für die Verbesserung der Leistung von im Siebdruckverfahren hergestellten thermoelektrischen Lampen und Bauelementen.

Die meisten der derzeit verwendeten Materialien sind jedoch stark umweltbelastend. Daher wird an alternativen Lösungen mit weniger umweltschädlichen, recycelbaren Materialien geforscht, die eine vergleichbare Effizienz wie leistungsstärkere Materialien erreichen (der Seebeck-Koeffizient von Bismuttellurid beträgt 300 μV/K).
Als Alternativen zu herkömmlichen Materialien finden sich Forschungsansätze und erste Entwicklungen auf Basis von leitfähigen Polymeren wie PEDOT:PSS, einem intrinsisch leitfähigen Polymer, das seit der Entdeckung seiner thermoelektrischen Eigenschaften großes Interesse geweckt hat; kohlenstoffbasierten Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs); Metalllegierungen; und organischen Verbindungen.
Im Fall der zuvor erwähnten n-leitenden einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) beschreibt der folgende Artikel „Dual-Type Flexible-Film Thermoelectric Generators Using All-Carbon Nanotube Films“ (Ryota Konagayay et al., 2023) die Leistungssteigerung dieses Materials. Der DFTEG erreichte eine Ausgangsspannung von 40 mV und eine maximale Leistung von 891 nW bei einer Temperaturdifferenz von 25 K zwischen der kalten und der warmen Seite des Moduls. Diese Ergebnisse sind im Vergleich zu traditionellen Materialien wie Te, Bi oder Ge zwar gering, stellen aber ein vielversprechendes Ergebnis für die Entwicklung von thermoelektrischen Modulen mit umweltfreundlichen Materialien dar.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des DFTEG-Herstellungsprozesses.
Quelle: Ryota Konagayay und Masayuki Takashiri, 2023, „Dual-Type Flexible-Film Thermoelectric Generators Using All-Carbon Nanotube Films“

Daher lässt sich bestätigen, dass thermoelektrische Geräte der nächsten Generation (hergestellt aus nachhaltigeren, flexibleren und leichteren Materialien) vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für eine autarke Energieversorgung bieten. In der Elektronik könnten diese Geräte beispielsweise tragbare Geräte wie Smartwatches und Fitness-Tracker mit Strom versorgen. Im Bereich der Sensorik könnten sie Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitssensoren mit Energie versorgen.
Mit der Weiterentwicklung der thermoelektrischen Gerätetechnologie ist die Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsverfahren zu erwarten, die die Effizienz und Skalierbarkeit dieser Geräte verbessern und somit potenziell zu Lösungen für eine höhere Energieeffizienz und -nutzung führen.

AUTOR: Vicente Milán, Ingenieurforscher bei AIMPLAS