09. April 2008 Bei der Suche nach umweltschonenden Energiequellen finden thermoelektrische Materialien zunehmend Beachtung. Diese halbleitenden Werkstoffe können Wärme direkt in elektrischen Strom verwandeln und gelten deshalb als Kandidaten für die emissionsfreie und kostengünstige Energiegewinnung. Da ihr Wirkungsgrad mit etwa zehn Prozent aber derzeit noch recht bescheiden ausfällt, werden thermoelektrische Elemente bislang meist nur in der Raumfahrt verwendet.
Dabei gäbe es eine Vielzahl von technischen Prozessen, bei denen bislang ungenutzte Abwärme entsteht – etwa in Kraftwerken oder im Automobilbereich – und die deshalb für die Stromgewinnung mit Thermoelektrika genutzt werden könnten. Amerikanischen Wissenschaftlern ist es nun gelungen, den Wirkungsgrad einer thermoelektrischen Verbindung deutlich zu verbessern, indem sie dem Material eine Nanostruktur verliehen.
Tritt in einem thermoelektrischen Material ein Temperaturgefälle auf, wandern Elektronen von der heißen zur kalten Seite, und es fließt ein nutzbarer Strom. Dieser bricht allerdings zusammen, wenn ein Temperaturausgleich zwischen den beiden Seiten stattfindet. Gute Thermoelektrika besitzen deshalb eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Diesen scheinbar unüberbrückbaren Gegensatz, der den thermoelektrischen Wirkungsgrad limitiert, haben Gang Chen vom Massachusetts Institute of Technology und seine Kolegen nun erfolgreich überwinden können.
Wärmeleitung erfolgreich unterdrückt
Die Forscher verwendeten für ihre Versuche den Halbleiter Wismut-Antimon-Tellurid, den sie in einer Kugelmühle zu im Mittel zwanzig Nanometer großen Partikeln zerkleinerten. Das Pulver pressten sie anschließend zu zentimetergroßen Blöcken. An hundert solcher Proben wurde die thermoelektrische Leistungszahl ermittelt. Je höher diese Kenngröße ist, desto besser kann ein thermoelektrisches Material Wärme in Strom verwandeln. Es zeigte sich, dass der Gütewert bei Raumtemperatur 1,2 betrug und die Leistungszahl von normalem Wismut-Antimon-Tellurid bereits um 20 Prozent übertraf. Der Wert erreichte bei 100 Grad sein Maximum von 1,4. Er nahm bei weiterem Erwärmen zwar langsam ab, betrug bei einer Temperatur von 250 Grad aber immerhin noch 0,8, wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Science“ (doi: 10.1126/science.1156446) berichten.
Den Forschern ist es offenbar gelungen, durch die Nanostrukturierung die Wärmeleitung erfolgreich zu unterdrücken. Der Wärmetransport erfolgt vor allem durch Gitterschwingungen, den sogenannten Phononen. Der nanostrukturierte Aufbau des Materialis blockiert offenkundig die Streuung der Phononen an den Kristallatomen und verhindert so einen raschen Temperaturausgleich im Material.
Text: F.A.Z.
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