Die anhaltende Erschöpfung der auf fossilen Brennstoffen basierenden Energieressourcen führt uns zu einer wachsenden Energiekrise. Folglich hat dies eine Suche nach nachhaltigen alternativen Ressourcen in Gang gesetzt. Die thermoelektrische Energieumwandlung – ein Prozess zur Stromerzeugung aus Abwärme – hat als nächste potenzielle Energy-Harvesting-Technologie an Bedeutung gewonnen. Über den „Seebeck-Effekt“ werden Generatoren aus thermoelektrischen Materialien genutzt, um thermische Energie zu gewinnen. Der Temperaturunterschied im thermoelektrischen Material erzeugt einen Strom von Ladungsträgern, wodurch elektrische Energie erzeugt wird.
Für eine effiziente Umwandlung muss ein thermoelektrisches Material eine hohe Umwandlungseffizienz (ZT) haben, was einen hohen Seebeck-Koeffizienten (S), eine hohe elektronische Leitfähigkeit (σ) und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (κ) erfordert. Das Material Zinnselenid (SnSe) ist dafür bekannt, dass es in seiner Einkristallform eine rekordhohe ZT aufweist. Jedoch verschlechtert sich die Leistung in praktischen Polykristallen aufgrund eines niedrigen σ und eines hohen κ.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Fortgeschrittene Wissenschaftgelang es einem Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Associate Professor Takayoshi Katase vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), die ZT von polykristallinem SnSe zu verbessern, indem es gleichzeitig ein hohes σ und ein niedriges κ zeigte. Das Team erzielte diesen bemerkenswerten Durchbruch, indem es Tellurionen (Te) in die Struktur von SnSe einführte.
Es gab jedoch einen Haken. Die Löslichkeit von Te2-Ionen in der Se2-Stelle von SnSe ist im thermischen Gleichgewicht aufgrund einer Größenungleichheit zwischen den beiden Ionen extrem gering, was die Ionensubstitution stark einschränkt. Das Team ging diese Herausforderung an, indem es einen zweistufigen Nichtgleichgewichts-Wachstumsprozess einführte, der es ihnen ermöglichte, die Te2-Konzentrationsgrenze x auf bis zu 0,4 in Sn(Se1-xTex)-Volumenkristallen zu erhöhen.
„Das Hinzufügen eines Ions der gleichen Wertigkeitsstufe erhöht normalerweise nicht die Ladungsträgerkonzentration in ionischen Halbleitern. In unserem Fall jedoch erhöhte die Substitution von Te2–Ionen an der Se2-Stelle in SnSe die Ladungsträgerkonzentration um drei Größenordnungen, was zu a hohes σ. Außerdem reduzierte die Te-Ionen-Substitution κ drastisch auf weniger als ein Drittel seines Wertes bei Raumtemperatur“, sagt Dr. Katase.
Es gab zwei Hauptstrategien, um das hohe σ und das niedrige κ in SnSe-Polykristallen zu erreichen. Einer fügt Ionen mit einem anderen Wertigkeitszustand hinzu, wie etwa Alkaliionen, um die Ladungsträgerkonzentration zu erhöhen. Ein anderer steuert die Verunreinigungssegregation für die Phononenstreuung. Somit sind viele Komplikationen bei der Synthese von polykristallinem Hochleistungs-SnSe beteiligt.
Das Team zeigte jedoch, dass die Substitution durch isovalente Te-Ionen gleichzeitig σ erhöht und κ verringert. Wie? Das Team führte First-Principle-Berechnungen durch, um den Mechanismus aufzuklären, der der Verbesserung von ZT zugrunde liegt. Die Berechnungen zeigten, dass das große Te-Ion in SnSe schwache Sn-Te-Bindungen bildete. Diese Sn-Te-Bindung wird leicht dissoziiert und eine hohe Dichte an Sn-Leerstellen wird in der Struktur gebildet, was zu einer hohen Lochkonzentration führt. Außerdem verringern die schwachen Sn-Te-Bindungen die Phononenfrequenz (Frequenz der Gitterschwingung) und verstärken die Phononenstreuung, was zu einem niedrigen κ führt.
Die Studie stellt somit eine neue Methode zur Zugabe großer Ionen über ihre Gleichgewichtsgrenzen hinaus vor, die zukünftige Studien zur Optimierung der elektronischen und thermischen Eigenschaften von thermoelektrischen SnSe-Polykristallen leiten könnte. „Wir glauben, dass unsere Erkenntnisse den Weg zu hochleistungsfähigen, praktischen thermoelektrischen Materialien ebnen würden“, sagt Dr. Katase.
Wir hoffen natürlich, dass seine Vision nicht zu weit von der Verwirklichung entfernt ist.
Xinyi He et al, Degenerated Hole Doping and Ultra‐Low Lattice Thermal Conductivity in polykristallinem SnSe durch isovalente Te‐Substitution im Nichtgleichgewicht, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/adv.202105958