Forschung -

Neue Technologie wandelt Abwärme in elektrische Energie

Jede Maschine oder jedes System auf der Erde gibt als Nebenprodukt Wärme ab, und der Mensch bildet da keine Ausnahme. Tatsächlich können die Quellen der Abwärme auch alle Arten von menschlichen Aktivitäten, natürliche Systeme und alle Organismen umfassen. Was wäre dann, wenn es eine Technologie gibt, die diese nicht erkannte erneuerbare Energie in elektrische Energie umwandeln kann?

Glücklicherweise arbeiten Professor Jae Sung Son und sein Forschungsteam an der "School of Materials Science and Engineering" von UNIST daran, die ansonsten verschwendete Wärme mit einer eigenen thermoelektrischen Technik in Elektrizität umzuwandeln.

Das Team hat kürzlich durch die Einführung einer neuen thermoelektrischen Materialklasse mit überlegener Leistung und Effizienz viel Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erregt.

Außerdem konnten sie diese Materialien durch die Verarbeitung zu dünnen Filmen auch auf gekrümmten Oberflächen aufbringen und so die thermoelektrische Performance auch dort verbessern.

Professor Jae Sung Son ist es in Zusammenarbeit mit Professor Hosun Shin vom "Korea Research Institute of Standards and Science" (KRISS) gelungen, präzise abgestimmte SnSe-Dünnschichten durch einen kostengünstigen und skalierbaren Lösungsprozess herzustellen.

Die neue Technik ist ein zweistufiger Prozess, bei dem SnSe-Pulver in einer Flüssigkeit aus Ethylendiamin und Ethandithiol gelöst und die erhaltene Lösung mit Acetonitril gereinigt wird, um einen Niederschlag zu erhalten.

Thermoelektrische (TE) Elemente erzeugen Strom basierend auf Temperaturunterschieden zwischen den einzelnen Seiten ihrer Materialien. Um Hochleistungs-TE-Elemente zu konstruieren, müssen besonders gute TE-Materialien durch verschiedene Auswahlverfahren bestimmt werden.

Insbesondere der SnSe-Einkristall, über den erstmals im Jahr 2014 berichtet wurde, gilt aufgrund seiner unerwartet niedrigen Wärmeleitfähigkeit und seines hohen Leistungsfaktors als sehr vielversprechendes TE-Material. Die Effizienz des Kristalls ist jedoch aufgrund der Herausforderungen bei der Justierung der SnSe-Kristallstruktur begrenzt.

"Im Vergleich zum polykristallinen SnSe, das eine einzigartige geschichtete Kristallstruktur wie einen Papierstapel darstellt, weisen SnSe-Dünnfilme TE-Leistungsfaktoren auf Einkristallniveau auf", sagte Seung Hwae Heo vom UNIST. "So wie Papierfalten die Druckqualität mindern, so senken auch polykristalline Materialien thermoelektrische Effizienzen."

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team einen zweistufigen Lösungsprozess, um SnSe in eine bestimmte Richtung zu züchten. Das Verfahren beinhaltet das Lösen von SnSe-Pulver in einem Lösungsmittel, das aus Ethylendiamin und Ethandithiol besteht, und das Reinigen der resultierenden Lösung mit Acetonitril, um einen Niederschlag zur Herstellung hochtexturierter SnSe-Dünnfilme zu erhalten.

Der Niederschlag wurde in Ethylendiamin gelöst, um die SnSe-Tintenlösung zu erhalten. Diese Tinte wurde auf ein Glassubstrat aufgetragen (spin-coated) und die Folie abschließend mit 400 °C für 1 Minute erhitzt.

Der Beschichtungsprozess wurde wiederholt, um die gewünschte Dicke zu erhalten. Schließlich wurde die Folie unter 400 °C für eine angemessene Zeit geglüht.

"Beim Erwärmen kommt es zu einer Se-Verdampfung, die dann im Dünnfilm zum Übergang von SnSe2 zu SnSe führt", sagte der Wissenschaftler Seungki Jo. "Es scheint, dass das zuvor gebildete SnSe als Meilenstein dient, sodass die neu gebildeten SnSe-Kristallstrukturen ausgerichtet werden können."

Der neue SnSe-Dünnfilm weist 10-mal höhere elektrische Eigenschaften auf als die vorherige Studie. Darüber hinaus zeigte es eine hohe Performance, die mit der eines SnSe-Materialblocks vergleichbar ist.

Das Forschungsteam fand auch heraus, dass es einfach ist, die physikalischen Eigenschaften durch die Kontrolle der Zusammensetzung des fertigen Dünnschichtmaterials zu optimieren.

Denn das Verhältnis der Selenatome, die die Kristalle formen, kann durch Anpassung der Wärmebehandlungstemperatur und -zeit flexibel eingestellt werden. In dieser Studie wurden auch Zinnselenidschichten mit 400 °C für 1 Minute, 5 Minuten, 9 Minuten bzw. 13 Minuten wärmebehandelt.

"Diese neue Technologie ist nicht nur einfach und effizient, sondern steuert auch die Ausrichtung der Zinn-Selenid-Kristalle", sagte Professor Son. "Mit dieser Technologie können wir jetzt leistungsstarke thermoelektrische Dünnfilme zu niedrigen Kosten herstellen. Und sie wird sicherlich zur Entwicklung von Standards für die Messung ultradünner thermoelektrischer Materialien beitragen."

Das Forschungsteam erwartet auch, dass diese Methode auf eine kostengünstige und skalierbare Produktion von gut strukturierten anorganischen funktionellen Filmen ausgedehnt werden kann.

Schrifttum: Seung Hwae Heo et al.,”Composition change-driven texturing and doping in solution-processed SnSe thermoelectric thin films,” Nature Communications, (2019).

Links
Weitere Beiträge zum Thema Forschung Alle Artikel des Ressorts
© elektronikinformationen.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten