Natrium-Dotierung erhöht Ausbeute von Thermoelektrikum

Ein Festkörper-Material wandelt Abwärme effizient in elektrischen Strom.

Thermelektrische Module leiden noch immer über eine geringe Effizienz. Nur im Nischenbereich Raumfahrt wandeln sie Abwärme in elektrischen Strom um. Aber mit einer Dotierung mit Natrium konnten nun chinesische und amerikanische Materialforscher den Wirkungsgrad einer Legierung aus Blei, Tellur und Selen nun fast verdoppelt. Sie erzielten bei einer Betriebstemperatur von etwa 800 Kelvin einen ZT-Wert – der Maßzahl für die Effizienz thermoelektrischer Werkstoffe - von 1,8. Mit diesem deutlich verbesserten Material rückt die Einführung kommerzieller Thermoelektrika, beispielsweise für den Einsatz an den Abgasrohen eines Autos, näher.

Abb.: Valenzband-Struktur einer Bleitellurselenid-Legierung: Zusätzliche Energieniveaus (Sigma) verringern die von Phononen getragene Wärmeleitfähigkeit (Bild: Nature, Caltech)

"Bisher sind thermoelektrische Materialen relativ ineffizient", wissen G. Jeffrey Snyder vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen vom Shanghai Institute of Ceramics. Bisher rangieren diese Werte für Blei- oder Wismuttelluride bei ZT-Werten um 1. Doch je größer diese Maßzahl für ein Material ist, desto mehr Wärme kann über den Seebeck-Effekt in verwertbaren Strom umgewandelt werden. Zwar gelang es in vielen Laboren, mit aufwendig gefertigten Nanostrukturen ZT-Werte oberhalb von 2 zu erreichen. Doch aus diesen meist sehr dünnen Werkstoffen kompakte, in Autos einbaubare Minikraftwerke zu fertigen, gestaltet sich sehr schwierig.

Dieses Problem umschifften Snyder und Kollegen nun mit einem Bleitellurselenid-Festkörper. In einer etwa 1000 Grad heißen Schmelze aus den enthaltenen Metallen mischten sie bis zu zwei Gewichtsprozent Natrium. Durch diese Dotierung veränderten sie die elektronischen Eigenschaften des neuen Materials so geschickt, dass auch ohne Nanostrukturen ein guter thermoelektrischer Wirkungsgrad möglich wurde. Die Ursache: Im Valenzband der Legierung bildeten sich bis zu zwölf Energieniveaus, so genannte Täler, aus, die die thermische Leitfähigkeit über Phononen deutlich verringerten.

Durch diesem Kunstgriff heizt sich das Thermoelektrikum nur noch schwer komplett auf. Der Temperaturunterschied zwischen beiden Enden – der zentralen Voraussetzung für die Erzeugung von thermoelektrischen Strom - blieb so länger erhalten. Die elektrische Leitfähigkeit dagegen litt unter der Natrium-Dotierung kaum. So behielten die thermisch angeregten Elektronen ihre Mobilität und die für die Wärmeleitung verantwortlichen Phononen wurden praktisch ausgebremst.

In weiteren Arbeitsschritten gilt es nun, aus dem mit Natrium dotieren Werkstoff ein funktionsfähiges Minikraftwerk zu bauen. Parallel könnte auch mit anderen Metallen der Wirkungsgrad weiter erhöht werden. So ist es nicht unmöglich, dass in einigen Jahren zahlreiche, thermoelektrische Module an Autoauspuffen oder in den Schloten von Kohlenkraftwerken montiert werden, um aus der bisher ungenutzten Abwärme elektrischen Strom zu erzeugen.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• Dresselhaus, M. S. et al.: New directions for low-dimensional thermoelectric materials. Adv. Mater. 19, 1043–1053 (2007)
• Koga, T., Sun, X., Cronin, S. & Dresselhaus, M.: Carrier pocket engineering to design superior thermoelectric materials using GaAs/AlAs superlattices. Appl. Phys. Lett. 73, 2950–2952 (1998)
• Rabina, O., Lin, Y. & Dresselhaus, M.: Anomalously high thermoelectric figure of merit in Bi1-xSbx nanowires by carrier pocket alignment. Appl. Phys. Lett. 79, 81–83 (2001)

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