TEplus Effizienzsteigerung von Thermoelektrizität durch Vermeidung von phononischem Wärmeübertrag

Bei der Energieumwandlung von Wärme zu Strom wird im Normalfall der Umweg über die mechanische Bewegung genommen (Verbrennungskraftmaschinen, Dampfturbine, Stirlingmotor, etc.). Es existiert aber auch die Möglichkeit, Wärme mittels Thermoelektrizität direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Das Prinzip dazu ist seit ca. 200 Jahren bekannt, mit Metallen sind die erzielten Wirkungsgrade allerdings minimal. Mit der Entwicklung der Halbleiter wurde ab ca. 1950 eine deutliche Verbesserung erzielt, die Wirkungsgrade liegen je nach Material und Temperaturbereich aber nur bei ca. 6-8 %. Bei Festkörpern ist grundsätzlich die Wärmeleitung über das Gitter sehr groß und nach dem Gesetz von Wiedemann/Franz[1] auch nicht markant veränderbar. Die Gitterwärmeleitung kann im Vakuum unterbunden werden. Bei geeigneten Temperaturen werden Elektronen in das Vakuum emittiert, die zu einer thermoelektrischen Energieumwandlung führen. Bisherige Anwendungen des Vakuumverfahrens sind rar und vorwiegend auf Satellitenanwendungen konzentriert. Für terrestrische Anwendungen der Thermoelektrizität sind noch einige Hürden zu bewältigen, die im Projekt TEplus behandelt wurden. Vorarbeiten an der JKU Linz, Institut für Experimentalphysik, zeigten mehrere Möglichkeiten, den thermoelektrischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Durch geeignete Wahl der Materialien, Oberflächenstrukturen und Beschichtungen, Geometriefaktoren, Gasfüllungen, Magnetfelder sowie Berücksichtigung des photonischen Einflusses in Kombination mit dem richtigem Temperaturbereich werden Wirkungsgrade erwartet, die deutlich über denen liegen, die derzeit mit thermoelektrischen Festkörperelementen erreichbar sind.

Ausgangssituation

Bei der Energieumwandlung von Wärme zu Strom wird im Normalfall der Umweg über die mechanische Bewegung genommen (Verbrennungskraftmaschinen, Dampfturbine, Stirlingmotor, etc.). Es existiert aber auch die Möglichkeit, Wärme mittels Thermoelektrizität direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Das Prinzip dazu ist seit ca. 200 Jahren bekannt, mit Metallen sind die erzielten Wirkungsgrade allerdings relativ gering. Mit der Entwicklung der Halbleiter wurde ca. ab 1950 eine deutliche Verbesserung erzielt, die Wirkungsgrade liegen je nach Material und Temperaturbereich aber nur bei ca. 6-8%. Bei Festkörpern ist jedoch die Wärmeleitung über das Gitter sehr groß und nach dem Gesetz von Wiedemann/Franz auch nicht markant veränderbar. Zur Vermeidung der Gitterwärmeleitfähigkeit kann der Weg gegangen werden, die Gitterstruktur entfallen zu lassen. Im Vakuum ist die thermische Leitfähigkeit unterbunden. Bei geeigneten Temperaturen werden aber Elektronen in das Vakuum emittiert, die zu einer thermoelektrischen Energieumwandlung führen. Bisherige Anwendungen des Vakuumverfahrens sind vorwiegend auf Satellitenanwendungen konzentriert.