PAD-Flex-TEG: Direkt aus dem Pulver kaltabgeschiedene nanokristalline µm-dicke Bismuttellurid-Schichten für flexible thermoelektrische Generatoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Jaroslaw Kita; Dr.-Ing. Daniela Schönauer-Kamin
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544448150

PAD-Flex-TEG kombiniert die hohe thermoelektrische Leistungsfähigkeit von Bismuttelluriden bei Raumtemperatur mit der pulveraerosolbasierten Kaltabscheidung (PAD) zur Erzeugung nanokristalliner Funktionsschichten geringer Wärmeleitfähigkeit auf biegbaren Substraten für hocheffiziente flexible thermoelektrische Generatoren (Flex-TEG). Durch die umfassende thermoelektrische Charakterisierung n- und p-leitender PAD-Bismuttelluridschichten werden deren Leistungsfähigkeiten vor dem Hintergrund der nanokristallinen Morphologie, mechanischer Verzerrungen und anisotroper Schichteigenschaften beurteilt und begünstigende Faktoren identifiziert. Mit seinen vielfältigen Aufgaben zur Materialpräparation sowie -charakterisierung vereint das Forschungsprojekt die wissenschaftlichen Kompetenzen beider Antragsteller. Konkret sind das Potential aber auch die Grenzen von PAD-Funktionsschichten für Flex-TEGs anhand der thermoelektrischen Kenngrößen von drei verschieden dotierten Bismuttelluriden zu erarbeiten. Als flexible Substrate werden neben Polymerfolien auch ultradünne anorganische Folien aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) unterschiedlicher Dicke in die Untersuchungen einbezogen. Bei der PAD entstehen durch den Aufprall keramischer Partikel dichte nanokristalline Schichten mit atomaren Gitterdeformationen. Es ist zu erarbeiten, wie die Prozessparameter sowie die mechanischen Eigenschaften der flexiblen Substrate sowohl die Mikrostrukturen der PAD-Bismuttelluridschichten als auch deren thermoelektrischen Kenngrößen beeinflussen. Eine moderate thermische Nachbehandlung könnte durch Relaxation von Mikrospannungen die Ladungsträgerbeweglichkeit des nanokristallinen Gefüges steigern, ohne jedoch die gehemmte Wärmeleitung durch Kristallitwachstum zu begünstigen. Im Hinblick auf eine Anwendung der PAD für Flex-TEGs ist zu analysieren, inwieweit mechanische Dauer- und Wechsellasten in Längsrichtung der PAD-Schichten die thermoelektrische Leistungsfähigkeit während und nach der Verformung beeinträchtigen und welche maximalen Biegeradien abhängig von den Schichtdicken möglich sind. Zudem ist zu untersuchen, ob gezielt bei der Schichtherstellung eingebrachte anisotrope Makrospannungen die Funktionseigenschaften mechanisch belasteter thermoelektrischer Schichten verbessern können. Abschließend ist ein erster Funktionsnachweis als flexibler planarer Dual-Leg-TEG mit kontaktierten n- und p-leitenden PAD-Schichten auf einem flexiblen Träger zu erbringen. Mit den ermittelten thermoelektrischen Leistungsdaten gilt es zu beurteilen, inwieweit die thermoelektrischen Kenngrößen dank der PAD-bedingten nanokristallinen Mikrostruktur die Eigenschaften herkömmlich prozessierter Dick- und Dünnschicht-TEGs übertreffen. Der Projekterfolg könnte Ausgangspunkt weiterführender Forschungsarbeiten zum Potential innovativer PAD-Funktionsschichten in Flex-TEGs sein, welche dank der Skalierbarkeit der PAD auch von industriellem Interesse sein dürften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen