Untersuchungen an neuen thermoelektrischen Materialien

Abstract

Die Anwendungen thermoelektrischer Bauelemente sind sehr vielseitig, da sie sowohl zur Kühlung als auch zur Energieerzeugung als thermoelektrische Generatoren eingesetzt werden können. Der Wirkungsgrad von thermoelektrischen Bauelementen hängt von den Transporteigenschaften des verwendeten Materials ab. Die dafür relevanten Eigenschaften werden mit der Gütezahl ZT beschrieben. Je größer die Gütezahl ist, um so besser sind die thermoelektrischen Materialeigenschaften, d.h. das Material besitzt gleichzeitig eine hohe Thermokraft, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Um den Wirkungsgrad thermoelektrischer Bauelemente zu verbessern, wird daher nach Materialien geforscht, die eine hohe Gütezahl aufweisen. Da bisher keine genauen theoretischen Vorhersagen über die thermoelektrischen Eigenschaften von neuen Verbindungen möglich sind, orientiert man sich in der Forschung an schon bekannten Verbindungen, die gute thermoelektrische Eigenschaften besitzen. ZrNiSn ist ein n-Typ Halbleiter mit guten thermoelektrischen Eigenschaften. Daher umfaßte ein Teil der Arbeit die bisher noch nicht erforschten Möglichkeiten zur Herstellung von p-Typ ZrNiSn durch teilweise Substitution der Zirkoniumatome durch Scandiumatome und Yttriumatome. Dabei wurden mit der Verbindung Y0,1Zr0,9NiSn die besten Ergebnisse für p-Typ ZrNiSn erzielt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag jedoch an den von ZrNiSn abgeleiteten Halbheusler-Verbindungen der Gruppen ScMVIIISb und YMVIIISb (MVIII = Ni, Pd, Pt). YPtSb erwies sich als das Material mit den besten thermoelektrischen Eigenschaften innerhalb der untersuchten Gruppen. Bei Temperaturen oberhalb von 330 K ist die Gütezahl von YPtSb größer als die von der Verbindung ZrNiSn, die dieser Untersuchung als Ausgangsmaterial diente. Da die Optimierung von YPtSb noch nicht abgeschlossen ist, ist diese Verbindung ein vielversprechender Kandidat für weitere Forschungen.