Integrated Computational Materials Engineering (ICME) zur Entwicklung elektrischer Kontakte für Mg-Si-basierte thermoelektrische Bauelemente

• Antragstellerin: Dr. Silvana Tumminello
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511374818

Die Entwicklung innovativer Energietechnologien orientiert sich an den internationalen Klimazielen und strebt eine nachhaltige Energieversorgung und -verwendung an. Die thermoelektrische (TE) Energiewandlung ist ein nachhaltiger Ansatz für eine dezentrale autarke Energieversorgung und eine wirksame Option zur Nutzung und Rückgewinnung von Abwärme durch direkte Umwandlung in elektrische Energie. Zu ihren Vorzügen gehört die Vermeidung schädlicher Emissionen, breite Skalierbarkeit (μW bis kW) und extrem hohe Zuverlässigkeit durch Verzicht auf mechanisch bewegte Teile. Eine zentrale Herausforderung bei der Umsetzung thermoelektrischer Bauelemente ist die Realisierung stabiler Kontakte zwischen TE Material und metallischen Verbindungsbrücken. Besonders anspruchsvoll ist dies bei hohen Einsatztemperaturen, welche für einen hohen Wirkungsgrad bei der Abwärmewandlung erforderlich sind. Das Projekt soll durch Verbindung von experimentellen Erkenntnissen mit einem robusten Ansatz zum Integrated Computational Materials Engineering (ICME) die Entwicklung von Kontaktierungslösungen beschleunigen und gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen auf Basis empirischer Methoden grundsätzlich neu zu gestalten.Dieser Ansatz beinhaltet einen hohen Grad an Interdisziplinarität und wird in diesem Projekt in einem integralen Konzept von Multiskalen-Berechnungsmethoden auf Mg-Si- basierte TE Verbindungen angewendet. Dies sind hocheffektive TE Wandlermaterialien für Hochtemperaturanwendungen, die aus ungiftigen, gut verfügbaren und kostengünstigen Elementen bestehen. Die bereits gut untersuchten Zusammensetzungen Mg2(Si1−xSnx) mit x = 0,6 und 0,7 und die Brückenmaterialien Cu, Ag, Al, Cu55Ni45 wurden gestützt auf vielversprechende Vorexperimente ausgewählt, um Kontaktierungsprozesse für eine nachhaltige Technologie für langzeitstabile TE Module zu entwickeln. Der wissenschaftliche Ansatz vereinigt thermodynamische, kinetische und mechanische Modellierung und Simulationen durch eigenentwickelte und kommerzielle Software-Tools, die bisher nicht oder nur teilweise miteinander integriert sind. Durch effizienten Datentransfer und mit einem FAIR-kompatiblen Datenmanagement soll eine durchgängige Kompatibilität erreicht und eine Interoperabilität ermöglicht werden. Erstmals wird die Anwendung eines ICME-basierten Ansatzes für die Kontaktierung von TE Werkstoffen vorgeschlagen. Er sieht die Integration der in Datenbanken kodierten Werkstoffkennwerte sowie der Prozessparameter der Materialsynthese und des Verbindungsschritts vor und schafft damit ein neues Paradigma für Kontaktierungslösungen. Die Konzeption dieser Strategie birgt hohes Potenzial zur Übertragung auf die Untersuchung anderer Materialsysteme und Prozessschritte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen