Gedruckte thermoelektrische Generatoren

Thermoelektrische Generatoren, kurz TEGs, wandeln Umgebungs­wärme in elektrische Energie um. Sie bieten eine wartungs­freie, umwelt­freund­liche und autarke Strom­ver­sorgung für die stetig wachsende Zahl von Sensoren und Geräten für das Internet der Dinge und eine Möglich­keit für die Rück­gewin­nung von Abwärme. Wissen­schaftler des Karls­ruher Instituts für Techno­logie haben jetzt drei­dimen­sionale Bauteil­architek­turen mit neu­artigen, druck­baren thermo­elekt­rischen Materialien entwickelt. Diese könnten einen Meilen­stein für die Nutzung kosten­günstiger TEGs dar­stellen.

„Thermoelektrische Generatoren können thermische direkt in elek­trische Energie umwandeln. Diese Techno­logie erlaubt es, energie­autarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Wearables, wie Smart­watches, Fitness­arm­bänder oder digitale Brillen, ohne Batterien zu betreiben“, sagt Uli Lemmer, Leiter des Licht­tech­nischen Instituts des KIT. Weiterhin könnten sie in der Rück­ge­winnung von Abwärme in der Industrie und in Heiz­systemen oder der Geothermie einge­setzt werden.

„Konventionelle TEGs müssen durch auf­wändige Fertigungs­verfahren aus Einzel­teilen zusammen­gestellt werden“, so Lemmer. „Um dies zu umgehen, haben wir neu­artige druck­bare Materi­alien erforscht und neben zwei innova­tiven Verfahren sowohl organische als auch auf anorga­nischen Nano­partikeln basierende Tinten entwickelt.“ Mit diesen ließen sich kosten­günstige, drei­dimen­sionale gedruckte TEGs her­stellen.

Beim ersten Verfahren wird mittels Siebdruck auf einer hauch­dünnen flexiblen Substrat­folie ein 2D-Muster aus thermo­elek­trischen Druck­tinten aufge­tragen und anschließend mit einer Origami-Technik ein etwa zucker­würfel­großer, quader­förmiger Generator zusammen­gefaltet. Diese Methode haben die Wissen­schaftler des KIT gemeinsam mit dem InnovationLab in Heidelberg und einem KIT-Spin-Off-Unter­nehmen entwickelt. Bei dem zweiten Verfahren drucken die Forscher zuerst ein 3D-Grund­gerüst, auf dessen Ober­flächen sie dann die thermo­elek­trische Tinte auftragen.

Hochskalierbare Herstellungsprozesse wie das Drucken in einem Rolle-zu-Rolle-Siebdruck oder in moderner additiver Fertigung seien daher Schlüssel­techno­logien, ist Lemmer über­zeugt. „Die neuen Herstel­lungs­ver­fahren erlauben nicht nur eine kosten­günstige und skalier­bare Produk­tion dieser TEGs, durch die Druck­techno­logien lässt sich das Bauteil indi­vi­duell an die jeweiligen Anwendungen anpassen. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die gedruckte Thermo­elektrik kommer­ziell verfügbar zu machen“, betont er.

KIT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  A. G. Rösch et al.: Fully printed origami thermoelectric generators for energy-harvesting, NPJ Flex. Electron. 5, 1 (2021); DOI: 10.1038/s41528-020-00098-1
• M. M. Mallick et al.: Shape-Versatile 3D Thermoelectric Generators by Additive Manufacturing, ACS Energy Lett. 6, 85 (2021); DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02159
• Lichttechnisches Institut (U. Lemmer), Karlsruher Institut für Technologie