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Warum sind die thermoelektrischen Effekte der meisten Materialien nicht stark genug? Die Wahrheit ist raus!
Da der Energieumwandlungstechnologie heute immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird, sind thermoelektrische Materialien in den Fokus der Forschung gerückt. Diese Materialien können thermische Energie in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt und bieten potenzielle Anwendungen in Energierückgewinnungs- und Kühlsystemen. Doch warum erfüllen die thermoelektrischen Effekte der meisten Materialien immer noch nicht die Anforderungen praktischer Anwendungen? Dieser Artikel enthüllt die Wahrheit sowie die aktuellen Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen thermoelektrischer Materialien.
Der thermoelektrische Effekt bezieht sich auf das Phänomen, bei dem Temperaturunterschiede Potentialunterschiede erzeugen oder Ströme Temperaturunterschiede erzeugen.
Grundkonzepte des thermoelektrischen Effekts
Der thermoelektrische Effekt umfasst drei Hauptphänomene: Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt und Thomson-Effekt. Die Anwendung dieser drei Effekte erweitert die Möglichkeiten der Energieumwandlung erheblich. Obwohl jedoch alle Materialien einen thermoelektrischen Effekt ungleich Null haben, ist der Effekt für die meisten zu gering, um in praktischen Anwendungen nützlich zu sein.
Vorteile und Einsatzmöglichkeiten thermoelektrischer Materialien
Das derzeit am häufigsten verwendete thermoelektrische Material ist eine Legierung auf Basis von Antimontellurid (Bi2Te3), die sich in Nischenanwendungen wie Kühlung und Energierückgewinnung auszeichnet. Bei der eingehenden Forschung zu thermoelektrischen Materialien wurde festgestellt, dass effiziente thermoelektrische Materialien drei Grundbedingungen aufweisen müssen: hohe elektrische Leitfähigkeit, niedrige Wärmeleitfähigkeit und hoher Seebeck-Koeffizient.
Herausforderungen bei der Materialeffizienz: Der Kompromiss zwischen Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit
Bei der Erforschung thermoelektrischer Materialien ist der Wettbewerb zwischen elektrischer und thermischer Leitfähigkeit eine zentrale Herausforderung. Nach dem Widmann-Franz-Gesetz geht mit einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in der Regel eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit einher, was es für den thermoelektrischen Effekt des Materials schwierig macht, einen Idealzustand zu erreichen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Optimierung dieser Eigenschaften, um die thermoelektrische Gütezahl (Z) des Materials zu verbessern.
Um die thermoelektrischen Eigenschaften von Materialien zu verbessern, haben Forscher die Möglichkeit neuer Materialien wie Legierungen, komplexer Kristalle und Nanokomposite untersucht.
Geräteeffizienz und thermoelektrischer Effekt
Die Effizienz eines thermoelektrischen Geräts hängt von den Eigenschaften des Materials bei einer bestimmten Temperatur ab, einschließlich elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Seebeck-Koeffizient. In tatsächlichen Geräten wird üblicherweise eine Kombination aus n-Typ- und p-Typ-Materialien verwendet, was die Komplexität des Systems weiter erhöht. Idealerweise sollten die Eigenschaften beider Materialien über den gleichen Temperaturbereich stabil bleiben, was jedoch häufig nicht der Fall ist.
Qualitätsfaktor thermoelektrischer Materialien
Der Qualitätsfaktor eines Materials spiegelt seine potenzielle Effizienz wider. Forscher versuchen, die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung zu verbessern, indem sie die Zustandsdichte der Elektronen erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit des Gitters verringern. Dieser Prozess erfordert, dass sich das Material während der Elektronenübertragung wie ein Kristall und während der Phononenübertragung glasig verhält, ein Konzept, das als „elektronische Phononglaskristalle“ bekannt ist.
Zukünftige Forschungsrichtungen
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie bewegt sich die Entwicklung thermoelektrischer Materialien weiter in Richtung fortschrittlicher konventioneller Materialien und niedrigdimensionaler Systeme. Das Potenzial dieser Materialien, die Wärmeleitfähigkeit des Gitters zu reduzieren, macht sie zu einem Schlüsselelement für zukünftige thermoelektrische Systeme. Bei der Erforschung neuer Materialien werden Wissenschaftler auch darüber nachdenken, wie sie in verschiedenen möglichen Anwendungen eine höhere Effizienz und Stabilität erreichen können.
„Ob es sich um Grundlagenforschung oder spezifische Anwendungsebenen handelt, das Potenzial thermoelektrischer Materialien ist immer noch einer weiteren Erforschung wert.“
Obwohl thermoelektrische Materialien ihre Bedeutung in der aktuellen Technologie gezeigt haben, stehen sie immer noch vor zahlreichen Herausforderungen. Was die Menschen neugierig macht, ist die Frage, ob zukünftige technologische Innovationen diese Einschränkungen überwinden und die Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit thermoelektrischer Materialien verbessern können.
