Nanostrukturen steigern die Energieumwandlung
Europa wird zunehmend durch die schwerwiegenden Umweltauswirkungen der Verbrennung fossiler Energieträger gefährdet. Hocheffiziente thermoelektrische Nanomaterialien und Geräte sind klein, kostengünstig, leicht, geräusch- und schadstoffarm und sind daher Hoffnungsträger für eine saubere Energieversorgung. Das zentrale Problem bei der Herstellung effizienter thermoelektrischer Materialien ist, dass sie zwar eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen müssen, jedoch nicht sehr wärmeleitfähig sein dürfen. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Abwärme wird in der Thermoelektrik durch die Gütezahl (ZT) beschrieben. Diese Zahl bildet das Verhältnis ab, in dem elektrische Leitfähigkeit und thermoelektrische Leistung (im Zähler) zu Wärmeleitfähigkeit (im Nenner) stehen. Ziel des EU-finanzierten Projekts "Spark plasma sintering nanostructured thermoelectrics" (SPARKNANOTE) war es, mehrere Gitterfehler und Korngrenzen in Kristallgittern zu erzeugen und somit deren Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung des thermoelektrischen Wirkungsgrads zu senken. Dadurch konnten vielversprechende optimierte Zusammensetzungen und Sinterpulver bestimmt sowie Korngröße und -morphologie kontrolliert werden. Die Wissenschaftler stellten dotierte Bismuttelluride und Kobalttriantimonide her, indem sie verschiedene metallische Materialien zerkleinerten und sie mittels Spark-Plasma-Sinterverfahren (SPS) wieder neu zu Sammelproben zusammensetzten. Das Team konnte zwei Elemente zur Dotierung von CoSb3 finden, mit denen hohe ZT-Zahlen erzielt werden. Durch die Kombination eines mit dem SPS-Verfahren verdichteten Nanostrukturpulvers mit einem zweistufigen Warmschmiedeverfahren konnten erfolgreich p-dotierte bismutbasierte Legierungen mit hierarchischer Nanostruktur und der erwünschten Ausrichtung hergestellt werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Leistung der senkrecht zur Presskraft wirkenden thermoelektrischen Kraft sehr viel höher war als bei den in einem einstufigen Verfahren gesinterten Materialien. Während des zweiten Schritts des SPSs, dem Warmschmieden, wurden die Schnittstellen modifiziert und Kristallfehler hergestellt, mit denen sich höhere ZT-Zahlen erzielen ließen. Die Wissenschaftler konnten dies durch eine effektivere Phononenstreuung erreichen, die eine bedeutende Rolle für die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit spielt. Dadurch konnte eine Verbesserung der ZT-Zahl in Legierungen mit Nanostruktur um 50 % erzielt werden. Das Team veränderte die Nanomaterialien in der Weise, dass sie Zwillingskorngrenzen enthielten, und sinterten sie anschließend mit dem SPS-Verfahren, wodurch die maximale ZT-Zahl erzielt werden konnte. Durch die Nutzung von Materialien, von denen die Umwandlung einer bedeutenden Mange Abwärme in Nutzelektrizität zu erwarten ist, könnte die Thermoelektronik nun breitere industrielle Anwendung finden.
Schlüsselbegriffe
Thermoelektrisch, Bismuttellurid, Kobalttriantimonid, Nanomaterialien, ZT, Spark-Plasma Sinterverfahren
