Tellurfreie thermoelektrische Materialien und Module für die Kühlung bei Raumtemperatur

• Antragstellerin: Dr. Pingjun Ying
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563885086

Die Technologie der thermoelektrischen Kühlung ist aufgrund ihres Festkörpercharakters sehr vielversprechend, aber ihr Anwendungspotenzial war bisher weitgehend auf Bismuttellurid (Bi2Te3) beschränkt. Leider unterliegt die auf Bi2Te3 basierende Technologie kritischen Einschränkungen, die ihre Skalierbarkeit für künftige thermoelektrische Anwendungen behindern. Erstens ist Tellur ein giftiges und in der Natur seltenes Element, das als Schlüsselkomponente Umwelt- und Ressourcenprobleme mit sich bringt. Zweitens stagniert die Kühlleistung seit über einem halben Jahrhundert, was weitere Fortschritte unwahrscheinlich macht. In den letzten Jahren wurden bemerkenswerte Fortschritte bei den thermoelektrischen Materialien erzielt. Die Umsetzung dieser Hochleistungsmaterialien in effiziente Module ist jedoch begrenzt. Darüber hinaus konzentrieren sich die bisherigen Untersuchungen zu Modulen in erster Linie auf die Stromerzeugung und vernachlässigen das immense Potenzial für Kühlanwendungen. In einem kürzlich erzielten Durchbruch konnte der Principal Investigator (PI) nachweisen, dass Mg-basierte Materialien, darunter Mg3(Sb,Bi)2 vom n-Typ und MgAgSb vom p-Typ, ein Kühlmodul mit einer Leistung erzeugen, die der von Bi2Te3 entspricht. Ausgehend von dieser Leistung zielt unser Projekt darauf ab, die derzeitigen Standards für die Kühlleistung von thermoelektrischen Modulen zu übertreffen. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert drei Forschungsschwerpunkte: die Verbesserung der Materialleistung, die Implementierung eines fortschrittlichen Kontaktdesigns mit minimalem Widerstand und die Optimierung der geometrischen Faktoren auf Modulebene. Um die Materialeigenschaften zu verbessern, werden wir eine Segmentierungsstrategie anwenden, die sich insbesondere auf den n-Typ-Schenkel konzentriert, und die Mikrostruktur für weitere Verbesserungen verfeinern. Gleichzeitig werden wir uns bei der Untersuchung der Kontaktseite auf die Erforschung von Materialien und Methoden konzentrieren, die eine hohe Haftfestigkeit, einen geringen Kontaktwiderstand und eine Diffusionspassivierung ermöglichen. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Leistung von Mg-basierten thermoelektrischen Modulen zu optimieren. Sobald eine optimierte Materialleistung und ein erfolgreiches Kontaktdesign erreicht sind, wird unser Projekt den Einfluss verschiedener thermoelektrischer Geometrien auf die Kühleffizienz untersuchen. Dabei werden Parameter wie der Füllfaktor und das Verhältnis von Länge zu Querschnittsfläche berücksichtigt, um die Kühlleistung unserer Mg-basierten Module zu maximieren. Der Erfolg dieses Projekts verspricht einen Durchbruch in der nachhaltigen, zuverlässigen und ungiftigen thermoelektrischen Technologie. Darüber hinaus werden kritische technische Fragen geklärt, die den Weg für eine skalierbare Umsetzung dieser Technologie ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen