Thermoelektrische Materialien

Thermoelektrische Materialen erzeugen eine elektrische Spannung, wenn sie einem Temperaturgefälle ausgesetzt sind. Dieses Phänomen wird in thermoelektrischen Generatoren genutzt, um elektrische Energie zu produzieren. Noch ist der Wirkungsgrad der Materialien bei der Umwandlung in Strom recht schlecht und liegt bei maximal 8 %, während Kohlekraftwerke einen Wirkungsgrad von bis zu 45 % haben. Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, sind Materialen nötig, die elektrischen Strom gut leiten, Wärme dagegen schlecht. Dr. Werner Schweika und Dr. Raphaël Hermann vom Jülicher Institut für Festkörperforschung haben entschlüsselt, wie der atomare Bauplan eines thermoelektrischen Materials die Kombination der scheinbar unvereinbaren Eigenschaften ermöglicht.

Sie haben mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten und Wärmekapazitätsmessungen die Ursache für die geringe Wärmeleitfähigkeit einer Zinkantimon-Legierung untersucht. Dabei stießen sie auf eine bisher unbekannte Form sog. dynamischer Unordnung, die die Ausbreitung von Wärme in diesem Halbmetall behindert: Zinkantimon hat eine regelmäßige Kristallstruktur, in der atomare Hanteln mit relativ großem Gewicht lose eingebettet sind. Wenn Wärmewellen durch das Material wandern, werden auch die Hanteln in Schwingung versetzt. Auf die Wärmewellen hat das einen ähnlich störenden Effekt wie Wellenbrecher vor einer Küste auf das Meerwasser. Der Clou: Die elektrische Leitfähigkeit wird nicht behindert. Diese Erkenntnisse öffnen ganz neue Wege auf der Suche nach immer effizienteren thermoelektrischen Materialien.