Was zeichnet ein gutes thermoelektrisches Material aus?
Ein Thermogenerator entnimmt einer Wärmequelle, wie z.B. dem Abgas eines PKW, Wärme und wandelt einen Teil dieser Wärme in elektrische Energie um.
Verantwortlich für diesen Umwandlungsvorgang ist das im Thermogenerator enthaltene thermoelektrische Material. Je besser das thermoelektrische Material, desto mehr Wärme kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Man spricht im Zuge dessen von einer hohen Umwandlungseffizienz.
Neben den Temperaturen auf der Warmen und kalten Seite des Thermogenerators hängt die Umwandlungseffizienz von der sogenannten Thermoelektrischen Gütezahl ZT ab. Der ZT wurde 1909 das erste Mal von Edmund Altenkirch beschrieben und errechnet sich aus der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und dem Seebeck Koeffizienten (Thermospannung) eines Materials.
Aus Gleichung 1 kann man erkennen, dass sich ein gutes thermoelektrisches Material durch eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Seebeck Koeffizienten bei niedriger Wärmeleitfähigkeit auszeichnet.
Halb-Heusler - was ist das?
Dr. Friedrich Heusler entdeckte 1901 auf der Isabellenhütte eine neue Materialklasse. Er stellte Legierungsproben aus den drei unmagnetischen Metallen Kupfer, Mangen und Aluminium her. Dabei fiel ihm auf, dass die Legierung aus zwei Teilen Kupfer und je einem Teil Mangan und Aluminium starke ferromagnetische Eigenschaften aufweist.
Diese Entdeckung war eine kleine wissenschaftliche Sensation und mit dem Physikwissen der damaligen Zeit zunächst nicht erklärbar. Nach näherer Untersuchung entdeckte man später, dass diese besondere Legierung eine bis dahin unbekannte Kristallstruktur bildet. Man gab ihr zu Ehren des Entdeckers den Namen Heusler-Struktur. Heute kennt man viele Materialien mit einer Heusler-Struktur. Man bezeichnet sie allgemein als Heuslersche Legierungen oder Heuslersche Verbindungen.
Eng verwandt mit den Heuslerschen Legierungen sind die sogenannten Halb-Heusler Legierungen. In Abbildung 1 sind die beiden Strukturen im Vergleich dargestellt. Bei Halb-Heusler Verbindungen bleiben einige Gitterplätze unbesetzt. Interessant an Halb-Heusler Legierungen ist, dass man die unterschiedlichen Gitterplätze mit verschiedenen Metallen besetzten kann.
So können die in Abbildung 2 grün dargestellten Elemente auf die grünen Gitterplätze, die blauen Elemente auf die blauen Gitterplätze usw. eingebaut werden. Außerdem können innerhalb der einzelnen farbigen Gruppen Elemente gemischt werden. So kann man auf der roten Position z.B. weniger Nickel und für diesen Anteil Kupfer hinzufügen. Auf diese Weise ergeben sich unzählig viele mögliche Materialkombinationen mit immer anderen physikalischen Eigenschaften. So ist es ohne weiteres möglich ein N- und ein P-leitendes thermoelektrisches Halb-Heusler Material zu designen.
Warum Halb-Heusler als thermoelektrisches Material?
Thermoelektrische Materialien kann man nach ihren Einsatztemperaturen grob in die Gruppen Niedrig-, Hoch- und Höchsttemperaturmaterialien einteilen.
Halb-Heusler Werkstoffe gehören zu den Hochtemperaturmaterialien. Ihr optimaler Einsatzbereich liegt zwischen 400°C und 600°C. Dabei haben Halb-Heusler Werkstoffe gegenüber anderen Hochtemperaturmaterialien, wie beispielsweise Skutteroditen, zwar nicht die höchsten ZT-Werte bzw. Effizienzen, jedoch besitzen sie einen guten Eigenschaftsmix.
Wichtig für die Eignung als thermoelektrisches Material sind nicht nur eine hohe Wandlungseffizienz und Gütezahl ZT. Genauso wichtig sind weitere Eigenschaften, die ein gebrauchsfähiges Material ausmachen. Dazu gehören gute mechanische Eigenschaften und hohe Langzeitstabilität, genauso wie Materialkosten und Ungiftigkeit der enthaltenen Elemente.
Da man außerdem zum Bau von Thermogeneratoren mit P- und N-Leiter immer zwei Materialien benötigt, sind nahezu identische Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Materialien unerlässlich. In Abbildung 2 sind verschiedene Hochtemperaturmaterialien qualitativ anhand ihrer Eigenschaften verglichen.
Eigenschaften verschiedener Hochtemperaturmaterialien im Vergleich
| Material class | ZT value | Cost per KG | ROHS conformity | Mechanical strength |
| Half Heusler | + | O (+ for Hf-free) | + | ++ |
| Skutterudite | ++ | + | + | O |
| Silicides | + | ++ | ++ | + |
| Leadtelluride | ++ | O | -- | + |
| Material class | Long time stability | Oxidation resistance | Temperature stability | Thermal expansion gap |
| Half Heusler | ++ | + | ++ | + |
| Skutterudite | + | - | + | + |
| Silicides | + | - | ++ | -- |
| Leadtelluride | ++ | + | + | + |