In Zusammenarbeit mit einem der weltweit führenden Forscher für thermoelektrische Materialien hat ein Forscherteam des Clemson Department of Physics and Astronomy und des Clemson Nanomaterials Institute (CNI) eine neue, narrensichere Methode zur Bewertung thermoelektrischer Materialien entwickelt.
Sriparna Bhattacharya, Forschungsassistentin der Fakultät für Physik und Astronomie, Ingenieur Herbert Behlow und CNI-Gründungsdirektor Apparao Rao arbeiteten mit dem weltberühmten Forscher HJ Goldsmid, emeritierter Professor an der University of New South Wales (UNSW) in Sydney, Australien, zusammen, um a One-Stop-Methode zur Bewertung der Effizienz von thermoelektrischen Materialien.
Goldsmid wird von vielen als „Vater der Thermoelektrik“ für seine Pionierarbeit bei thermoelektrischen Materialien angesehen. Bhattacharya kontaktierte Goldsmid zum ersten Mal auf LinkedIn und erzählte ihm, dass sie eine seiner theoretischen Vorhersagen während ihres Studiums an der Clemson University bestätigt hatte.
Später teilte Bhattacharya eine Arbeit mit, die sie mit Rao geschrieben hatte, nachdem sie sich seiner Forschungsgruppe angeschlossen hatte. Goldsmid erwähnte ihr gegenüber, dass er eine neue Methode zum Studium der Thermoelektrik im Sinn habe, und teilte ihr seine einseitige Theorie mit. Er war damals 89 Jahre alt und begann begeistert mit den CNI-Forschern zusammenzuarbeiten, weil er Bhattacharya als Teil seiner eigenen Forschungs-„Familie“ betrachtete.
Thermoelektrische Materialien nutzen einen Temperaturgradienten (DT) zur Stromerzeugung. Sie können zur Stromerzeugung durch Umwandlung von Wärme in Strom (Seebeck-Verfahren) oder zur Kälteerzeugung durch Umwandlung von Strom in Kälte (Peltier-Verfahren) verwendet werden. Thermoelektrische Materialien werden in Anwendungen eingesetzt, die von NASA-Weltraummissionen bis hin zu Sitzwärmern und -kühlern in Fahrzeugen reichen.
Die Effizienz von thermoelektrischen Materialien wird durch eine Gütezahl oder zT gemessen, die die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Materials berücksichtigt. Die traditionelle Methode zur Bestimmung von zT erfordert zwei Messungen mit unterschiedlichen Geräten, was manchmal dazu führt, dass Forscher falsche Ergebnisse melden.
Mit anderen Worten, Forscher messen manchmal fälschlicherweise die elektrische Leitfähigkeit (Ladungsfluss) und die Wärmeleitfähigkeit (Wärmefluss) entlang unterschiedlicher Richtungen in ihrer Probe, wenn sie von einem Instrument auf das andere umgeschaltet wird.
Die Peltier-Kühlung wurde zuvor wegen eines hohen DT oder der maximal erreichbaren Temperaturdifferenz zwischen der Vergleichsstelle und der Umgebung nicht zur Bewertung von zT verwendet. „Wir haben Thermoelemente verwendet, die einen Metall- und einen Halbleiterübergang enthalten, um die DT auf einen viel engeren Bereich zu reduzieren, sodass das temperaturabhängige zT mit einer höheren Auflösung bestimmt werden kann“, sagte Behlow.
„Die Idee, ein Metall und einen Halbleiter zu verwenden, um DT zu reduzieren, war vor aller Augen verborgen, bis Professor Goldsmid dies erkannte und diese neue Methode zur Messung von zT vorschlug“, fügte Behlow hinzu.
„Der experimentelle Aufbau, den wir am CNI (mit Hilfe des Instrumentenladens des Instituts für Physik und Astronomie) entwickelt haben, um die Theorie von Professor Goldsmid zu testen, stellt sicher, dass der Ladungsfluss und der Wärmefluss in der Probe in derselben Richtung gemessen werden“, sagte Rao. „Daher liefert unsere Methode konstruktionsbedingt genaue zT.“
Isabel Rancu, eine Highschool-Schülerin an der South Carolina Governor’s School for Science and Mathematics, trug ebenfalls zu der Studie bei. Rancu, der im Rahmen von Clemsons Sommerprogramm für Forschungspraktikanten mit dem Team zusammenarbeitete, verifizierte unabhängig die von Behlow gemeldeten Modellrechnungen.
Die in der Studie verwendete Wismut-Tellurid-Probe wurde von Pooja Puneet, Dozentin am Institut für Physik und Astronomie, im Rahmen ihrer Doktorarbeit synthetisiert.
Die UNSW-Clemson-Studie mit dem Titel „Thermoelectric figure-of-merit from Peltier cooling“ wurde im November in veröffentlicht Zeitschrift für Angewandte Physik. Es wurde als „Editor’s Pick“ ausgewählt, was das Team als Hommage an Goldsmid betrachtet.
Mehr Informationen:
S. Bhattacharya et al, Thermoelektrischer Gütefaktor der Peltier-Kühlung, Zeitschrift für Angewandte Physik (2022). DOI: 10.1063/5.0116327