Thermoelektrische Bauteile enthalten meist teure und giftige Elemente wie etwa Blei und Tellur – die neue Kristallstruktur soll Abhilfe schaffen.

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Teure und giftige Elemente ersetzen Kristalle erzeugen Strom aus Wärme

14.11.2022

Ein neues Material zur Umwandlung von Wärme in Strom auf Basis von Kupfer statt teurer oder giftiger Materialien ermöglicht die Produktion neuer thermoelektrischer Materialien. Durch einfache Änderungen in der Zusammensetzung erhält das synthetische Material eine komplexe Struktur und Mikrostruktur und legt damit die Grundlage für die gewünschten Eigenschaften.

Das neue, synthetische Material besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel. Der Herstellungsprozess sei ziemlich einfach, erklärt der Materialwissenschaftler und CNRS-Forscher Emmanuel Guilmeau vom CRISMAT-Labor in Caen in Frankreich, der Korrespondenzautor der Studie ist. „Die Pulver werden einfach mechanisch durch ein Kugelmahlverfahren in eine vorkristalline Legierung gebracht und dann bei 600 C° verdichtet,“ erläutert er. „Dieser Prozess kann leicht auf den größeren Maßstab übertragen werden.“

Probleme thermoelektrischer Materialien

Thermoelektrische Materialien wandeln Wärme in elektrischen Strom um. Das ist sinnvoll in Industrieprozessen, in denen aus Abwärme wertvoller Strom gewonnen werden kann. Umgekehrt dienen thermoelektrische Materialien auch zur Kühlung von elektronischen Bauteilen wie zum Beispiel in Smartphones oder in der Autoelektronik. Die Materialien sollten dann nicht nur effizient, sondern auch preisgünstig und vor allem gesundheitlich unbedenklich sein.

Thermoelektrische Bauteile enthalten bislang jedoch teure und giftige Elemente wie etwa Blei und Tellur – diese weisen den höchsten Wirkungsgrad auf. Auf der Suche nach gesünderen Alternativen erforschen Emmanuel Guilmeau und seine Arbeitsgruppe Derivate von natürlichen sulfidischen Kupfermineralen. Diese Minerale bestehen im Wesentlichen aus nicht giftigen, häufig in der Erdkruste vorkommenden Elementen und haben zum Teil auch thermoelektrische Eigenschaften.

Mangan durch Kupfer ersetzt

Dem Forschungsteam gelang es jetzt, eine Reihe von thermoelektrischen Materialien herzustellen, die zwei Kristallstrukturen im selben Material vereinen. „Das Ergebnis hat uns sehr überrascht,“ beschreibt Emmanuel Guilmeau diese Entdeckung. „Normalerweise beeinflusst eine Änderung der Zusammensetzung in dieser Materialklasse die Struktur kaum.“

Die Forschenden ersetzten lediglich einen kleinen Anteil des Mangans durch Kupfer. Dadurch bildeten sich komplexe Mikrostrukturen aus ineinander verschachtelten Nanodomänen, Defekten und elektronisch gleichartigen Grenzflächen, wie sie analysierten. Diese neue Mikrostruktur war die Grundlage für für den Transport von Elektronen und Wärme.

Emmanuel Guilmeau zufolge bleibt das entstandene Material bis 400 C° stabil und liegt damit im üblichen Abwärme-Temperaturbereich vieler Industrieanlagen. Er ist überzeugt, dass günstigere und ungiftige Materialien auf der Grundlage dieser Entdeckungen entwickelt werden können. Damit könnten die problematischen Materialien ersetzt werden.

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