Wiener Forscher verdoppeln Weltrekord der Thermoelektrizität

Im CD-Labor für Thermoelektrizität an der TU Wien konnte der bisherige Weltrekord für die effiziente Erzeugung von elektrischem Strom aus Wärme geradezu verdoppelt werden.

Bild: TU Wien
Der Festköperphysiker Ernst Bauer nutzt die Strukturänderung einer Legierung, um Strom wesentlich effizienter als bisher aus Wärme zu erzeugen.

Thermoelektrische Materialien nutzen den sogenannten Seebeck-Effekt: In einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern entsteht bei einer Temperaturdifferenz an der Kontaktstelle eine elektrische Spannung. Der Wirkungsgrad der Nutzung dieses Phänomens hängt von einer Größe ab, die man ZT-Wert nennt und aus dem Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Temperatur berechnet wird. Die besten bisher bekannten Thermoelektrika kommen auf ZT-Werte von etwa 2,5 bis 2,8. Will man sie weiter steigern, steht man vor einer werkstofftechnischen Herausforderung: elektrischer Strom soll möglichst gut, Wärme möglichst schlecht transportierte werden – die beiden Leitfähigkeit sind aber eng aneinander gekoppelt und daher schwierig in unterschiedliche Richtungen zu treiben.

Dem Forschungsteam um Ernst Bauer am CD-Labor für Thermoelektrizität an der TU Wien ist das gelungen, indem eine Legierung aus Eisen, Wolfram, Vanadium und Aluminium als dünne Schicht auf Silicium aufgebracht wurde. Dadurch änderte sich die Struktur dieses ansonsten streng regelmäßig angeordneten Materials und eine zufällige Anordnung der verschiedenen Atomsorten auf ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter entsteht. In einer solchen Schicht kann elektrische Ladung über sogenannte Weyl-Fermionen ungestörter transportiert werden, während Gitterschwingungen, die die Wärme in einem solchen Gitter weiterleiten, gehindert werden. Auf diese Weise erzielte Bauers Gruppe ZT-Werte zwischen 5 und 6.

 

Anwendungen im Internet der Dinge

Als Anwendung haben die TU-Wissenschaftler die Stromversorgung von Sensoren und anderen kleinen elektronischen Bausteinen vor Augen, wie sie im „Internet of Things“ benötigt werden, um unterschiedlichste Komponenten miteinander zu vernetzen. Je mehr Sensoren etwa in einer Produktionsanlage miteinander verknüpft werden müssen, desto attraktiver wird es, für deren Stromversorgung, die Abwärme der Maschinen zu nutzen.

Die Publikation „Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy“ ist ein der Zeitschrift Nature erschienen