Entropy Engineering und Grenzflächenoptimierung von thermoelektrischen Materialien für hocheffiziente Energiewandlung

• Antragsteller: Dr. Johannes de Boor; Dr.-Ing. Wolfgang Mertin
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520487260

Thermoelektrische Generatoren wandeln (Ab-)wärme in elektrische Energie, können dadurch den Verbrauch fossiler Brennstoffe und die CO2-Bilanz verringern und so zu einer nachhaltigen Energieversorgung beitragen. Die flächendeckende Anwendung thermoelektrischer Energiewandlung wird zurzeit durch den niedrigen Wirkungsgrad, ungelöste Probleme bei der Kontaktentwicklung und der Verwendung von gesundheitsgefährdenden und knappen Elementen verhindert. Diese Fragestellungen sollen in Kooperation der AGH-UST (Krakow, Polen), der Universität Duisburg-Essen und des DLR durch die Entwicklung von hocheffektiven, umweltverträglichen und gut verfügbaren Materialen aus den Klassen der magnesiumsilizid-basierten Mischkristalle und der Argyrodite adressiert werden. Folgende Ansätze werden verfolgt: 1. Steuerung der Konfigurationsentropie durch Zusammensetzungsvariation (Entropy Engineering), um die thermoelektrisch vorteilhafte alpha-Phase in Argyroditen bei niedrigerer Temperatur zu stabilisieren und die Synthese neuer Argyrodite mit vorteilhaften elektronischen Bandstrukturen zu ermöglichen. Weiterhin soll dadurch die Löslichkeit von Dotierstoffen in Argyroditen und magnesiumsilizid-basierten Mischkristallen soweit erhöht werden, dass die optimale Ladungsträgerkonzentration erreicht werden kann. 2. Synthese von nanostrukturierten Kompositmaterialien. Dies kann in magnesiumsilizid-basierten Mischkristallen durch kontrollierte Entmischung innerhalb der thermodynamischen Mischungslücke und in Argyroditen durch das gesteuerte Einbringen von Fremdphasen durch Variation der Konfigurationsentropie erreicht werden. Die Verbesserung der thermoelektrischen Materialien kann dann durch erhöhte Phononenstreuung sowie das Filtern niederenergetischer Anteile des Ladungsträgerspektrums an inneren Grenzflächen erreicht werden. Grenzflächeneffekte und ihre Variation durch experimentelle Parameter sollen mittels Kelvin Sonde und Scanning Thermal Microscopy elektrisch und thermisch mit nm-Auflösung lokal charakterisiert und bewertet werden. 3. Kelvin Sonde und Scanning Thermal Microscopy sollen ebenfalls der Bestimmung der elektrischen und thermischen Kontaktwiderstände dienen. Diese treten an den Grenzflächen zu Metallelektroden auf, die für den Einsatz thermoelektrischer Materialien in Bauteilen erforderlich sind. Unter Ausnutzung der hohen räumlichen Auflösung soll so der Ursprung der Kontaktwiderstände und der Durchgriff von Probenzusammensetzung und -präparation bestimm werden. Mikrostruktur-Charakterisierung, räumlich hochaufgelöste Messungen und festkörperphysikalische Modelle der thermoelektrischen Eigenschaften zielen auf die Analyse und Optimierung der integralen thermoelektrischen Eigenschaften. Dabei werden die experimentellen Arbeiten durch DFT-basierte Bandstrukturberechnung unterstützt. Abschließend soll ein Prototyp eines pn-Paars aus Argyrodit und Magnesiumsilizid realisiert werden, um das Anwendungspotential dieser Materialkombination erstmals abzuschätzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Krzysztof Wojciechowski