Novel Material Combinations for Thermionic Energy Converters

To meet growing energy demands and to reduce greenhouse gas emissions, more efficient methods of energy conversion are needed. Thermionic energy conversion is a promising approach to generate renewable energy directly from waste heat. Thermionic energy converters (TECs) are heat engines that convert heat from high- temperature sources directly into electricity by thermionic emission of electrons from a hot electrode (cathode) into vacuum, which are collected by a cooler electrode (anode). They are highly attractive for its compactness, and scalability. Further, the theoretical efficiency of a TEC (>50%) is much higher than other solid-state technologies (e.g. thermoelectrics, typically <10%). However, the experimentally achieved efficiencies for TECs have been rather low (<15%) due to space charge limitations and lack of low work function (WF) anode materials. By applying modern material combinations and 21st-century wafer-scale fabrication methods, this project aims to overcome these limitations and reach an efficiency of 35%, which would make TECs highly attractive for micro co-generation, small-scale power applications and as topping cycles for existing heat engines. While the previously conventional thermionic architectures relied upon expensive serial precision machining, modern micro- and nanofabrication is a proven route to low-cost, high precision parallel manufacturing. Nanofabrication techniques will enable the applicant, Peter Schindler, to develop novel TECs with ultra-high conversion efficiencies. To achieve this goal, the applicant will utilize his semiconductor processing expertise to enable: (i) new lower WF anode materials and its implementation in a micro-gap TEC architecture to (ii) eliminate the space charge problem and (iii) reduce TEC costs by employing modern micro- and nanofabrication methods. Two new approaches for low WF materials are explored: First, an effect that occurs at the surface of a semiconductor under illumination and second, the biasing of a two-dimensional material. TEC architectures with a micron-scale vacuum gap between the electrodes mitigate the space charge. The main challenges for implementing the new anode in the micro-gap TEC architecture are to ensure the stability of the anode at high operating temperatures and to mitigate electron reflectivity of the anode surface. Combining, for the first time, novel low WF materials with the new TEC architecture will open an avenue towards high-efficiency, low-cost TECs that are scalable from Watts to Megawatts.

Erneuerbare Energielösungen sind entscheidend, um den Klimawandel und die daraus resultierenden Herausforderungen zu bekämpfen. Die Umwandlung von Wärme in Elektrizität ist ein vielversprechender Weg zur Verringerung der Energieverschwendung und der dadurch resultierenden Reduzierung der Kohlendioxidemissionen. Die thermionische Energieumwandlung (TEC) ist ein Prozess, bei dem Wärme in Elektrizität umgewandelt wird, durch thermionische Emission von Elektronen aus einer erhitzten Elektrode (Kathode) die an einer kühleren Elektrode (Anode) gesammelt werden. Thermionische Umwandler sind aufgrund des Auskommens ohne beweglicher Teile, der Kompaktheit, der Skalierbarkeit und des hohen theoretischen Umwandlungswirkungsgrades (>35%) sehr attraktiv. Allerdings sind die experimentell erreichten Wirkungsgrade für TECs aufgrund von Gerätebeschränkungen und dem Mangel an Anodenmaterialien mit niedriger Austrittsarbeit eher gering (<15%). Die Austrittsarbeit (work function) ist der fundamentale Oberflächenparameter eines Materials, der bestimmt, wie leicht Elektronen ins Vakuum entweichen können. Während dieses Erwin-Schrödinger-Stipendiums an der Stanford University und der Universität Wien konzentrierte ich mich auf die Entdeckung neuer Materialien mit ultraniedriger Austrittsarbeit für hocheffiziente TECs der nächsten Generation. Mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie habe ich die Austrittsarbeit von alkalibedeckten Halbleitern vorhergesagt und eine ultraniedrige Austrittsarbeit von Cäsium/Sauerstoff-bedecktem Galliumarsenid experimentell verifiziert. Eine weitere Verringerung der Austrittsarbeit wird erreicht, indem ein Laser auf den Halbleiter gerichtet wird, der eine zusätzliche Verschiebung der Energiestruktur des Materials (genannt Oberflächenphotospannungseffekt bzw. surface photovoltage effect) bis zu einem rekordtiefen Wert von 0,7 eV induziert. Wir haben dieses neue Konzept auf die Anode eines TEC-Prototyps angewandt, um die Umsetzbarkeit für zukünftige hocheffiziente Energieumwandlungsanwendungen zu demonstrieren. Um die Reichweite meines Ziels der Materialentdeckung zu erhöhen, konzentrierte ich mich auf die Entwicklung einer high-throughput computergestützten Methode, um eine breite Palette von Materialien auf potenzielle Kandidaten mit niedriger Austrittsarbeit zu durchsuchen. Mit Hilfe von Hochleistungscomputern konnte ich mit diesem Ansatz eine Austrittsarbeit-Datenbank von über 30.000 Materialoberflächen erstellen. Diese Datenbank bildet die Grundlage für ein Modell durch maschinelles Lernen, das die Vorhersage der Austrittsarbeit mit hoher Genauigkeit bei einem Bruchteil der Rechenkosten ermöglicht. Mit diesem datengetriebenen Ansatz habe ich einen breiten chemischen Raum nach Materialoberflächen mit extremen Austrittsarbeiten durchsucht und über 100 neue Materialoberflächen mit ultraniedriger und ultrahoher Austrittsarbeit entdeckt. Darüber hinaus war dieses statistische Modell eine entscheidende Komponente für einen neuen Material-Screening-Ansatz, den wir entwickelt haben, um Photokathodenmaterialien der nächsten Generation zu identifizieren. Die wissenschaftlichen Errungenschaften dieses Projekts ebnen den Weg für ein effizientes Screening eines breiten Spektrums möglicher Materialien auf neue Kandidaten mit niedriger Austrittsarbeit für hocheffiziente thermionische Umwandler, Elektronenemissionsgeräte und Photokathodenanwendungen.