Optimization of high efficiency thermoelectrics based on Tl5Te3

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Datum
2001
Autor:innen
Teubner, Jens
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Masterarbeit/Diplomarbeit
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Zusammenfassung

Einige Materialien der Tl5Te3-Gruppe wurden vor kurzem als hocheffizient für thermoelektrische Anwendungen identifiziert. In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, um die Materialien aus dieser Gruppe weiter zu optimieren. Die Verbindung Tl9SbTe6 wurde charakterisiert. Sie bleibt jedoch hinter Tl9BiTe6 zurück, der besten ternären Verbindung in der Tl5Te3-Gruppe.
Untersuchungen an dem Legierungs-System Tl9SbTe6-Tl9BiTe6 wurden unternommen, um die elektronischen Eigenschaften zu optimieren und die Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren. Messungen und theoretische Abschätzungen zeigen, daß ein optimiertes Material in der Nähe der Verbindung Tl9BiTe6 zu suchen ist. Die erhoffte Verbesserung durch eine Reduktion der Wärmeleitfhäigkeit wurde jedoch nicht beobachtet.



Der Einfluß verschiedener Dotierungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Tl9BiTe6 wurde untersucht. Durch Dotierung mit Bismut konnte n-typ Tl9BiTe6 hergestellt werden. Es stellt sich jedoch heraus, daß n-typ Tl9BiTe6 deutlich schlechtere thermoelektrische Eigenschaften zeigt als sein p-typ Gegenstück.



Durch Dotierversuche mit HgTe wurde nachgewiesen, daß eine p-Dotierung den Wirkungsgrad von Tl9BiTe6 verbessern kann. Allerdings zeigten sich Probleme mit der mechanischen Stabilität. Es scheint wahrscheinlich, daß diese Probleme durch eine weitere Optimierung der Dotiertechnik und/oder des Dotanden gelöst werden können und die Leistungsfähigkeit von Tl9BiTe6 weiter verbessert werden kann.



In einer weiteren Studie wurden YNiSb- und Zr3Ni3Sb4-verwandte Verbindungen auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. In beiden Gruppen wurden hohe Seebeckkoeffizienten und niedrige Wärmeleitfähigkeiten beobachtet, der Wirkungsgrad ist jedoch aufgrund der zu hohen elektrischen Widerstände zu gering. Die Gruppen an sich bleiben jedoch weiterhin vielversprechend und es scheint durchaus lohnenswert, in Zukunft weitere Materialien dieser Gruppen zu untersuchen.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

The Tl5Te3 related compounds have recently been discovered as very efficient materials for thermoelectric applications. In this work, techniques have been investigated to further optimize materials in this group. The compound Tl9SbTe6 was characterized and found to exhibit very good thermoelectric performance, although it stays behind Tl9BiTe6 , which still has to be considered as the best ternary compound in the Tl5Te3 group.


Investigations on the Tl9SbTe6-Tl9BiTe6 alloy system have been carried out in order to optimize the electronic properties and lower the lattice thermal conductivity. Measurements and theoretical estimations show that an optimized material must be at or close to the Tl9BiTe6 end of the system. The expected improvement due to a reduction of the thermal conductivity by alloy scattering, however, was not observed.



A study on the effect of doping in Tl9BiTe6 was carried out. By doping with bismuth n-type Tl9BiTe6 could be prepared, which would be necessary for a thermoelectric device that is solely based on Tl9BiTe6. Unfortunately, n-type Tl9BiTe6 was found to have much weaker thermoelectric performance than its p-type counterpart.



Doping experiments with HgTe showed that p-type doping can improve the performance of Tl9BiTe6. However, a significant embrittlement has been observed on this material, that limits its use in actual devices. Further optimization of the doping technique and/or the dopant itself are expected to solve these problems and enhance the performance of Tl9BiTe6.



In additional investigations YNiSb- and Zr3Ni3Sb4-related compounds have been screened for their thermoelectric properties. The members of both groups exhibit high thermopowers and have low thermal conductivities. The high electrical resistivity, however, limits the thermoelectric performance. Nevertheless, further research in related systems seems promising.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Thermoelektrik, Tl9BiTe6, Tl5Te3, YNiSb, Zr3Ni3Sb4, thermoelectricity, figure of merit, thermal conductivity, thermopower, semiconductor
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Zitieren
ISO 690TEUBNER, Jens, 2001. Optimization of high efficiency thermoelectrics based on Tl5Te3 [Master thesis]
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