Verbesserte Halb-Heusler Thermoelektrische-Materialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Claudia Felser, seit 10/2020; Privatdozent Dr. Thomas Gruhn; Professorin Dr. Anke Weidenkaff, seit 6/2019
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392228380

Thermoelektrische Materialien können als erneuerbare Energiequellen dienen, die einen wichtigen Beitrag zu einer umweltfreundlichen Energieversorgung leisten. Wegen ihrer Zuverlässigkeit, Kompaktheit und dem geringen Wartungsbedarf sind thermoelektrische Module von großer Bedeutung für die Gewinnung nutzbarer Energie aus Abwärme, speziell der Auspuffwärme bei Fahrzeugen, aber auch als Energiequelle im Weltraum. Halb-Heusler-Materialien sind eine neue und umweltfreundliche Klasse von Hochtemperatur-Thermoelektrika mit einer reichen Zahl an möglichen Zusammensetzungen, exzellenten Materialeigenschaften und thermischer Stabilität. In diesem gemeinsamen chinesisch-deutschen Forschungsprojekt arbeiten fünf Forschungseinrichtungen aus China und Deutschland an der Weiterentwicklung von thermoelektrischen Halb-Heusler-Systemen zusammen. Drei typische Halb-Heusler-Materialien, basierend auf ZrNiSn, ZrCoSb und NbFeSb, stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Es werden zwei fundamentale wissenschaftliche Aspekte von thermoelektrischen Halb-Heusler-Materialien betrachtet: a) Wir suchen nach intrinsischen Gründen für die hervorragenden Leistungsfaktor-Werte, die Halb-Heusler-Thermoelektrika zeigen, und leiten daraus Möglichkeiten zu weiterer Optimierung ab. b) Wir analysieren den Einfluss von Phonon-Streuquellen auf die thermische Leitfähigkeit und entwickeln Methoden zur Minimierung des Wärmetransports. Die Themen werden mit enger Verknüpfung von Ab-initio-Rechnungen, Modellierungen und experimentellen Messungen untersucht. Als erstes führen wir Ab-initio-Rechnungen durch, um die intrinsische Elektronen- und Phononen-Struktur in reinen und gemischten Halb-Heusler-Materialien zu analysieren. Dann werden elektrische und thermische Transporteigenschaften bei niedrigen Temperaturen für einkristalline und polykristalline Halb-Heusler gemessen und am Rechner modelliert, um ein tiefgehendes Verständnis der Elektronen- und Phonen-Streumechanismen zu gewinnen. Dabei berücksichtigen wir Streuung durch intrinsische Defekte, durch Domänengrenzen in phasenseparierten Systemen und durch Korngrenzen und entwickeln eine synergistische Kombination der Streuquellen, die die thermische Leitfähigkeit optimal dämpft. Als drittes werden, basierend auf den gewonnen Ergebnissen neue Strategien zur Optimierung der Bandstruktur und der Multiskalen-Phononstreuung entwickelt, mit denen der Leistungsfaktor und die Effizienz von Halb-Heusler-Thermoelektrika bei hohen Temperaturen maximiert werden kann. Dabei werden speziell die Zusammenhänge zwischen Materialherstellung, Mikrostruktur und Transporteigenschaften berücksichtigt. Zuletzt werden thermoelektrische Halb-Heusler-Module hergestellt, gemessen und numerisch analysiert. Daraus ergeben sich wesentliche Richtlinien, um die umweltfreundlichen, thermoelektrischen Halb-Heusler-Materialien auf großer Skala zu verwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jiong Yang; Professor Dr. Xinbing Zhao; Professor Dr. Tiejun Zhu
• Ehemalige Antragsteller: Privatdozent Dr. Benjamin Balke, bis 6/2019; Dr. Chenguang Fu, bis 10/2020