Atomarer Mix sorgt für höheren Stromertrag

Forscher aus den USA, Dänemark und Schweden nutzen neue thermoelektrische Materialien

Professor He (links) und ein Mitarbeiter im Forschungslabor (Foto: clemson.edu)

Clemson (pte002/20.04.2021/06:10) - Mit Werkstoffen, die in der Natur nicht vorkommen können, lässt sich laut Forschern der Clemson University http://clemson.edu die Stromerzeugung durch Ausnutzung von Temperaturunterschieden deutlich verbessern. Es handelt sich um den Seebeck-Effekt. Er nutzt das Phänomen, dass zwei unterschiedliche Materialien, die etwa durch Löten oder Schweißen miteinander verbunden sind, eine elektrische Spannung und damit einen nutzbaren Strom erzeugen, wenn eine Seite kälter ist als die andere.

Kristalline und amorphe Struktur

"Unser Material hat eine einzigartige hybride Atomstruktur, die zur Hälfte kristallin und zur Hälfte amorph ist", so Forschungsleiter Jian He. Die Positionen der Atome in einem Festkörper bestimme die Eigenschaften. Grundsätzlich können sie eine kristalline oder amorphe Struktur bilden, also gleichmäßig geordnet oder durcheinander gewürfelt sein, so der Physiker. Ein Beispiel ist Silizium. Es wird sowohl in kristalliner als auch amorpher Form unter anderem zu Solarzellen verarbeitet, die sich stark beim Wirkungsgrad unterscheiden. Kristalline Zellen sind fast dreimal effektiver als amorphe.

He und Kollegen aus Dänemark und China haben unterschiedliche Atome aus derselben Gruppe des Periodensystems miteinander vermischt. Ein Teil des thermoelektrischen Elements besteht aus einer Mixtur von Schwefel- und Telluratomen, der andere aus Kupfer- und Silberatomen. Werden sie miteinander verbunden und unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, erzeugen sie Strom. Derartige Elemente lassen sich nutzen, um Abwärme, die normalerweise einfach an die Atmosphäre abgegeben wird, sinnvoll zu nutzen. So könnte die Wärme der Auspuffabgase der Stromerzeugung dienen und bei einem Hybridfahrzeug die Batterien laden.

Steigerung der Leistung erwartet

"Thermoelektrische Materialien sind traditionell Kristalle, sagt He. "Unser Material ist jedoch kein reiner Kristall, und wir zeigen, dass wir mit einem Material mit einer neuen Atomstruktur das gleiche Leistungsniveau wie mit den heute verwendeten Werkstoffen erreichen können." Weitere Forschung kann die Leistung der neuartigen Elemente weiter verbessern, glaubt er.

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