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Thermoelektrische Materialien und Systeme

Thermoelektrische Sensoren zum Einsatz bei hohen Temperaturen bedingen die Verfügbarkeit von aktivem Material hoher Empfindlichkeit, Linearität und funktioneller Langzeitstabilität, von hochtemperaturbeständigen Kontaktierungen zwischen Sensormaterial und metallischen Signalleitungen sowie von thermomechanisch stabilen Materialverbunden zwischen Trägerstruktur, Halbleiter und Deckschichten. Für die Systemevaluierung werden geeignete Kalibrierungs- bzw. Testvorrichtungen benötigt.
Die Abteilung „Thermoelektrische Materialien und Systeme“ bearbeitet diese Teilaspekte bei der Entwicklung eines schichtstrukturierten linearisierten Wärmestromsensors auf Basis von halbleitendem Eisendisilizid. Für Sensoranwendungen der Labormesstechnik werden in Auftragskooperation unter Einsatz modernster Mikrostrukturierungstechniken, optimierter Halbleitermaterialien und numerischer Modellierungstools Systementwicklungen bis zur Prototypen-Fertigung betrieben.

Neue thermoelektrische Materialien

Zielgröße der thermoelektrischen Materialentwicklung ist die thermoelektrische Effektivität. Thermoelektrika mit hoher thermoelektrischer Effektivität, d. h. mit hohem Seebeck-Koeffizienten, hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit erreichen höchste Detektivität in Sensoren, höchste Wirkungsgrade bei der thermoelektrischen Energieumwandlung sowie beste Kühlleistungsziffern in Peltier-Anwendungen.
In europäischer Zusammenarbeit (EU FP5-Projekt “NanoThermEl”) entwickelt die Gruppe „Thermische Sensoren“ CoSb3-basierte Skutterudite mit nano-skaliger Gefügestruktur durch Kompaktierung von Nanopulvern, pulver-kompaktiertes Zinkantimonid sowie einkristalline Clathrate im BaGaGe-System, die hohe thermoelektrische Gütezahl aufweisen, weiterhin thermoelektrische Cobaltate (DFG-Projekt) und optimierte einkristalline Peltier-Materialien.

Thermoelektrische Energieumwandlung

Thermoelektrische Energieumwandlung, d. h. die Direktumwandlung thermischer in elektrische Energie durch einen Halbleiter-Effekt ohne Mitwirkung bewegter Medien oder mechanisch bewegter Teile erlangt zunehmende technische Bedeutung für mobile Zusatzstromversorgungen und integrierte miniaturisierte Generatoren („self-powered micro-devices“). Die Forschungsgruppe „Thermische Sensoren“ bereitet ein internationales Verbundprojekt zur Entwicklung von Prototypen funktionsgradierter Energiewandlermodule für Abwärme zur mobilen thermoelektrischen Stromerzeugung vor. Umfangreiche Arbeiten widmen sich Eisendisilizid als preiswertem langzeitbeständigem Hochtemperaturmaterial für den Einsatz von Raumtemperatur bis ca. 800 °C, das für industrielle Herstellungs- und Bearbeitungsmethoden geeignet ist. Dieses Funktionsmaterial bietet Spielraum zur Erhöhung der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrades thermoelektrischer Energiewandler durch das Prinzip der Funktionsgradierung, durch Steuerung der Gefügestruktur mittels Schnellerstarrungsverfahren und thermische Nachbehandlung.
Für die Systemrealisierung thermoelektrischer Wandler werden stabile flächige Hochtemperatur-Kontakte entwickelt.

Thermoelektrische Messtechnik

Leistungsfähige Messanordnungen zur temperaturabhängigen Bestimmung von thermoelektrischen Material- und Systemeigenschaften sind komplexe Anlagen, die kommerziell kaum erhältlich sind. Die Forschungsgruppe „Thermische Sensoren“ betreibt Entwurf, Konstruktion, Instrumentierung, Softwareentwicklung und Test einer Familie modular aufgebauter automatisierter Messsysteme zur Erfassung des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, der thermoelektrischen Gütezahl sowie der lokalen Homogenität thermoelektrischer Eigenschaften. Anlagen zur Systemcharakterisierung bestimmen die temperaturabhängige Empfindlichkeit an Hochtemperatur-Wärmestromsensoren sowie den Wirkungsgrad an Thermgeneratoren unter realistischen und variablen thermischen Einsatzbedingungen.