Das Institut für Werkstoff-Forschung entwickelt Materialien, Kontaktierungstechnik und Systemaspekte für thermoelektrische Generatoren (TEG) und Sensoren zum Einsatz bei mittleren und hohen Temperaturen (250-1000 °C) für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in Fahrzeugen und Energieanlagen. Spezielle Labormesstechnik, darunter viele Eigenentwicklungen, wird in nationalen und internationalen Kooperationen zur Charakterisierung nanostrukturierter thermoelektrischer Hochtemperaturmaterialien neuartiger Substanzklassen mit verbesserten Einsatzeigenschaften, hochtemperaturtauglicher Kontaktierungen und zum Test thermoelektrischer Wandlermodule eingesetzt. Mit den verfügbaren Verfahren bildet das DLR einzigartig in Deutschland die gesamte Prozesskette von der Pulverherstellung bis zum Modul, sowie deren Test unter einem Dach ab.
Thermoelektrische Energieumwandlung
Thermoelektrische Energieumwandlung, d. h. die Direktumwandlung thermischer in elektrische Energie im Festkörper erlangt zunehmende technische Bedeutung für die Sekundärenergienutzung im Fahrzeug, zur Energierekuperation aus Abwärme in energieintensiven Industrieprozessen sowie für autarke Zusatzstromversorgungen. Die Entwicklungsarbeiten der Abteilung sind darauf ausgerichtet, Fertigungstechnologie für die Materialherstellung und serientaugliche Fügeverfahren voranzutreiben. Die Arbeiten beinhalten neben der umfassenden Systemcharakterisierung von TEG-Modulen die mikroanalytische Charakterisierung sowie den mechanischen Test thermoelektrischer Proben.
Neue thermoelektrische Materialien
Zielgröße der thermoelektrischen Materialentwicklung ist die thermoelektrische Effektivität. Thermoelektrika mit hoher thermoelektrischer Effektivität erreichen hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung, höchste Detektivität in Sensoren sowie die beste Kühlleistungsziffer in Peltier-Anwendungen.
Kern der Anwendungsentwicklungen zur TE Energiewandlung sind Werkstoffe für den mittleren Temperaturbereich (einsetzbar oberhalb 250 °C bis ca. 500 °C) auf der Basis von Telluriden, Antimoniden und Siliziden. Wachsenden Stellenwert gewinnen technologisch orientierte Materialentwicklungen für die anwendungsbezogen am weitesten fortgeschrittenen Mitteltemperaturmaterialien (vor allem CoSb3-Skutterudite, aber auch Silizide) mittels Herstellungsverfahren mit potentiell hohem Durchsatz. Neben hohem Wirkungsgrad zielt die Entwicklung auf langzeitliche Funktionsstabilität bei hohen Betriebstemperaturen.
Thermoelektrische Messtechnik
Mit der Kombination von unikalen in-house-Lösungen zur Messung des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der Leistungskenngrößen thermoelektrischer Generator-Module verfügt das Thermoelektrik-Messlabor des DLR über einzigartige Ausstattungsmerkmale.
Zuverlässige Messanordnungen zur simultanen temperaturabhängigen Bestimmung von thermoelektrischen Material- und Systemeigenschaften sind komplexe Anlagen, deren Beherrschung auf langjähriger Erfahrung fußt. Die Abteilung betreibt Entwurf, Konstruktion, Instrumentierung, Prozesssteuerung und Test modular aufgebauter automatisierter Messsysteme zur Erfassung der thermoelektrischen Grundgrößen einschließlich der thermoelektrischen Gütezahl sowie der lokalen Homogenität thermoelektrischer Eigenschaften mit Mikrometerauflösung. Eine unikale Absolutmethode charakterisiert mit hoher Genauigkeit den temperaturabhängigen Wirkungsgrad an Thermogeneratoren unter realistischen variablen thermischen Einsatzbedingungen sowie die Empfindlichkeit von Hochtemperatur-Wärmestromsensoren .
Thermoelektrische Sensoren
Thermoelektrische Sensoren zum Einsatz bei hohen Temperaturen basierend auf aktiven thermoelektrischen Materialien hoher Empfindlichkeit zeigen gute Linearität und funktionelle Langzeitstabilität. Entwicklungsschwerpunkte sind hochtemperaturbeständige Kontaktierungen zwischen Sensormaterial und Signalleitungen sowie thermomechanisch stabile Materialverbunde zwischen Trägerstruktur, Halbleiter und Deckschichten.
Für die Systemevaluierung wurden geeignete Kalibrierungs- bzw. Testvorrichtungen entwickelt. Die Abteilung bearbeitet diese Teilaspekte bei der Entwicklung eines schichtstrukturierten linearisierten Wärmestromsensors auf Basis von halbleitendem Eisendisilizid.