Reduktion der thermischen Leitfähigkeit in Thermoelektrika

Thermoelektrische Materialien werden zur direkten Umwandlung von thermischer - in elektrische Energie, bzw. umgekehrt von elektrischer - in thermische Energie eingesetzt. Thermoelektrische Elemente sind ideal für Anwendungen geeignet, in denen Einfachheit, Verläßlichkeit, das Fehlen beweglicher Komponenten sowie geräuschlose Funktionsfähigkeit die relativ hohen Kosten und den relativ geringen Wirkungsgrad ausgleichen: Punktkühlung elektronischer Hochleistungsschaltkreise, Klimaanlagen, Wasserkühlung, Kühlschränke, Kühlung von Infrarotdetektoren, etc. Darüberhinaus sind thermoelektrische Elemente in der Erzeugung elektrischer Energie aus Abwärme von steigender Bedeutung. Die Leistungsfähigkeit einer thermoelektrischen Anwendung folgt aus dem dimensionslosen Gütefaktor (figure of merit) der bestimmt ist durch das Quadrat des Seebeckkoeffizienten, dividiert durch das Produkt aus elektrischem Widerstand und thermischer Leitfähigkeit. Da die thermische Leitfähigkeit den Nenner des Gütefaktors bestimmt, besteht das primäre Ziel des vorliegenden Forschungsantrages in einer detaillierten Untersuchung der temperaturabhängigen thermischen Leitfähigkeit. Um den Wärmefluß im Temperaturgradienten zu minimisieren und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen, müssen die absoluten Werte der thermischen Leitfähigkeit reduziert werden. Dieses Ziel kann durch Erhöhung der Anzahl und der Intensität von Streuprozessen erreicht werden. Neben den Mechanismen, die bisher unabhängig eingesetzt wurden, wie z.B. a) atomare Unordnung durch Substitution und b) Phononenstreuung an in strukturellen Hohlräumen schwach gebunden Atomen (rattling modes), wird im vorliegenden Projekt ein neues Konzept zur effizienten Reduktion der thermischen Leitfähigkeit vorgeschlagen: und zwar die gebündelte Kombination der oben genannten Mechanismen im Kontext der Streuung von wärmetragenden Phononen an den valenzfluktuierenden Elektronen valenzinstabiler Atome (breathing modes). Vielversprechende Systeme, die unter diesen Bedingungen ausgewählt wurden, sind: 1) intermetallische Verbindungen mit Perowskit Typ AuCu3, 2) mit BaAl4 Typ und 3) mit aufgefüllten Skutterudit Typ (LaFe4P12). Neue Messmethoden, die für dieses Forschungsvorhaben zur Verfügung stehen, erlauben es, die relevanten Transportkoeffizienten in einem außergewöhnlich großem Temperaturbereich zu bestimmen.

Thermoelektrische Materialien werden zur direkten Umwandlung von thermischer - in elektrische Energie, bzw. umgekehrt von elektrischer - in thermische Energie eingesetzt. Thermoelektrische Elemente sind ideal für Anwendungen geeignet, in denen Einfachheit, Verläßlichkeit, das Fehlen beweglicher Komponenten sowie geräuschlose Funktionsfähigkeit die relativ hohen Kosten und den relativ geringen Wirkungsgrad ausgleichen: Punktkühlung elektronischer Hochleistungsschaltkreise, Klimaanlagen, Wasserkühlung, Kühlschränke, Kühlung von Infrarotdetektoren, etc. Darüberhinaus sind thermoelektrische Elemente in der Erzeugung elektrischer Energie aus Abwärme von steigender Bedeutung. Die Leistungsfähigkeit einer thermoelektrischen Anwendung folgt aus dem dimensionslosen Gütefaktor (figure of merit) der bestimmt ist durch das Quadrat des Seebeckkoeffizienten, dividiert durch das Produkt aus elektrischem Widerstand und thermischer Leitfähigkeit. Da die thermische Leitfähigkeit den Nenner des Gütefaktors bestimmt, besteht das primäre Ziel des vorliegenden Forschungsantrages in einer detaillierten Untersuchung der temperaturabhängigen thermischen Leitfähigkeit. Um den Wärmefluß im Temperaturgradienten zu minimisieren und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen, müssen die absoluten Werte der thermischen Leitfähigkeit reduziert werden. Dieses Ziel kann durch Erhöhung der Anzahl und der Intensität von Streuprozessen erreicht werden. Neben den Mechanismen, die bisher unabhängig eingesetzt wurden, wie z.B. a) atomare Unordnung durch Substitution und b) Phononenstreuung an in strukturellen Hohlräumen schwach gebunden Atomen (rattling modes), wird im vorliegenden Projekt ein neues Konzept zur effizienten Reduktion der thermischen Leitfähigkeit vorgeschlagen: und zwar die gebündelte Kombination der oben genannten Mechanismen im Kontext der Streuung von wärmetragenden Phononen an den valenzfluktuierenden Elektronen valenzinstabiler Atome (breathing modes). Vielversprechende Systeme, die unter diesen Bedingungen ausgewählt wurden, sind: 1) intermetallische Verbindungen mit Perowskit Typ AuCu3, 2) mit BaAl4 Typ und 3) mit aufgefüllten Skutterudit Typ (LaFe4P12). Neue Messmethoden, die für dieses Forschungsvorhaben zur Verfügung stehen, erlauben es, die relevanten Transportkoeffizienten in einem außergewöhnlich großem Temperaturbereich zu bestimmen.