Forschungszentrum Jülich

Denn hält man die Kontaktstellen zweier verschiedener elektrischer Leiter oder Halbleiter auf unterschiedlicher Temperatur, so entsteht eine elektrische Spannung, die mit dem Temperaturunterschied steigt. Das Problem: Bislang wandeln thermoelektrische Generatoren (TEGs) nur einen geringen Teil der Abwärme in Strom um – üblicherweise weniger als zehn Prozent. Um diesen Wirkungsgrad zu verbessern, benötigt man Materialien, die elektrischen Strom gut leiten, Wärme dagegen schlecht. Meist sind aber gute Stromleiter ebenso gute Wärmeleiter, weil beide Eigenschaften durch die Beweglichkeit der Elektronen beeinflusst werden. „Doch es gibt neben der Wärmeleitfähigkeit durch elektrische Ladungsträger auch noch die Wärmeleitfähigkeit aufgrund von Gitterschwingungen. Indem man diesen Anteil reduziert, kommt man zu effizienteren Thermoelektrika“, sagt Dr. Raphaël Hermann. Mit seinem Team am Jülich Centre for Neutron Science untersucht er mit Hilfe von Neutronenstreuung und Synchrotronstrahlung diese Mechanismen der Wärmeleitfähigkeit.

Die Energiequanten der Gitterschwingungen heißen Phononen, ihre Geschwindigkeit, ihre freie Weglänge und ihre Fähigkeit, Wärme zu speichern, bestimmen die Wärmeleitfähigkeit. „Das ist wie beim Gütertransport über Fernstraßen: Es wird umso mehr transportiert, je schneller der LKW fährt, je weniger er im Stau steht und je größer sein Laderaum ist“, erläutert Hermann. Die Forscher ermittelten bei thermoelektrischen Materialien wie Zintl-Phasen, Skutteruditen oder Klathraten, welcher der Faktoren die Wärmeleitfähigkeit der Phononen jeweils entscheidend begrenzt. So erhalten sie Hinweise, welche Stellschrauben besonders interessant sind, um den Wirkungsgrad von diesen Bauelementen weiter zu steigern.

Forschungszentrum Jülich/Red.