Erfassung von Strom durch eine neue effektive An

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Bild: (a) Schematische Darstellung, die den Aufbau eines Mg3Sb2-basierten Moduls durch druckunterstütztes Hochtemperatursintern zeigt. Es werden Al-Si-Cu-Hartlote verwendet. (b) Zusammenbau eines Mg3Sb2-basierten Moduls durch Niedertemperatur- und Niederdruckfügen mit Hilfe einer Ag-Verbundpaste. (c) Massenänderung und Wärmefluss für Ag-Verbundpaste während 10 thermischen Zyklen von 523 K bis 773 K. (d) Vergleich der Widerstandsänderung vor und nach dem Löten mit Ag-Verbundpaste.mehr sehen

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Als eine der vielversprechendsten Lösungen zur Verbesserung der Nutzungseffizienz fossiler Brennstoffe und zur Verringerung der Umweltverschmutzung bietet die thermoelektrische (TE) Stromerzeugungstechnologie die Vorteile des Festkörperbetriebs, des Betriebs ohne bewegliche Teile, der kostenlosen Wartung und des erweiterten Service. In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Leistung von TE-Materialien zu verbessern. Und es tauchen einige hervorragende Legierungen auf, wie etwa IV-VI-Verbindungen (z. B. SnSe, GeTe und PbSe), Skutterudite und Cu2Se. Diese beispiellosen Fortschritte bei der Verbesserung der Leistung von TE-Materialien sind ein wichtiger Schritt, der weitreichende Anwendungen von TE-Geräten ankündigt. Allerdings sind die Fortschritte in der TE-Gerätetechnologie weniger schnell vorangekommen. Aktuelle Bemühungen konzentrieren sich hauptsächlich auf einbeinige oder einpaarige Probleme, wie z. B. das Design von Elektroden, die Abschirmung von Barriereschichten und die Optimierung von Grenzflächen. Ein einzelnes Bein ist für die Beurteilung des Potenzials eines bestimmten TE-Materials sehr nützlich, ist jedoch noch weit von praktischen Anwendungen entfernt. Für industrielle Anwendungen müssen Module entwickelt werden, die sowohl aus TE-Materialien vom n-Typ als auch vom p-Typ bestehen. Dennoch ist die Entwicklung von Modulen anspruchsvoller als die Herstellung eines einzelnen Beins. Weitere Themen sollten ausführlicher behandelt werden, beispielsweise die Entwicklung passender n-Typ- und p-Typ-TE-Materialien, die Geometrieoptimierung von TE-Beinen, das Schweißen und Zusammenbauen mehrerer Beine sowie die Bewertung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Modulen. Darüber hinaus enthalten die meisten derzeit verwendeten oder untersuchten TE-Komponenten seltene Elemente (z. B. Te) oder toxische Elemente (z. B. Pb), was ein potenzielles Hindernis für großtechnische Anwendungen darstellt.

In den letzten Jahren haben Mg3Sb2-basierte Verbindungen aufgrund ihrer ungiftigen Natur, der Fülle an Bestandteilen und ihrer hervorragenden mechanischen Robustheit großes Interesse in der TE-Gemeinschaft geweckt. Inspiriert durch den Übergang von Mg3Sb2 vom p-Typ in Mg3Sb2 vom n-Typ florierte die nachfolgende Forschung an dieser Art von Verbindung. In den letzten fünf Jahren wurden erhebliche Fortschritte erzielt und die TE-Leistung verbessert. Dieses erfreuliche Ergebnis macht die kostengünstigen und umweltfreundlichen Mg3Sb2-basierten Verbindungen zu vielversprechenden Ersatzstoffen für die hochmodernen Te- oder Pb-haltigen Legierungen für die Mitteltemperatur-TE-Stromerzeugung. Und es hat in letzter Zeit ein intensives Forschungsinteresse an ihrer Geräteentwicklung geweckt. Auf Einzelstrangebene wurden Anstrengungen im Hinblick auf eine skalierbare Synthese von Mg3Sb2 vom n-Typ, die Gestaltung zuverlässiger Verbindungsschnittstellen und die Abschirmung von Barriereschichten unternommen. Ein bemerkenswertes Ergebnis ist, dass bei einem Temperaturunterschied von 400 K und einer Wärmequellentemperatur von 700 K ein einstufiger Wirkungsgrad von ~10 % erreicht werden konnte, was auf ein gutes Potenzial für Anwendungen zur Stromerzeugung bei mittleren Temperaturen hinweist. Auf Einzelpaar- oder Modulebene wurden verschiedene p-Typ-TE-Verbindungen wie Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb und CoSb3 für die Paarung mit n-Mg3Sb2 verwendet. Die Module aus unterschiedlichen Materialkombinationen bieten eine hervorragende Stromerzeugungsleistung im Nieder- und Mitteltemperaturbereich.

Es fällt jedoch auf, dass diese Module alle aus TE-Verbindungen unterschiedlichen n- und p-Typs hergestellt werden. Aufgrund der unterschiedlichen TE- und chemischen Eigenschaften dieser n- und p-Typ-Legierungen sind ein umständliches Design der Gerätegeometrie und die individuelle Auswahl geeigneter Barriereschichten erforderlich. Noch wichtiger ist, dass TE-Module zur Stromerzeugung normalerweise bei großen Temperaturgradienten (z. B. 300–500 K für Stromerzeugungsanwendungen bei mittleren Temperaturen) und schwankenden Temperaturen betrieben werden, sodass die Unterschiede in den physikalischen Parametern von TE-Materialien vom n- und p-Typ, wie z B. des Wärmeausdehnungskoeffizienten, führt zu hohen thermischen Spannungen, die während des Betriebs leicht zu Geräteausfällen führen können. Darüber hinaus führen die Unterschiede im Schmelzpunkt und der Bearbeitbarkeit verschiedener TE-Materialien vom n- und p-Typ zu zusätzlichen Einschränkungen beim Schweiß- und Montageprozess. Daher besteht ein starker Wunsch, effiziente und robuste TE-Module unter Verwendung derselben TE-Ausgangsverbindungen zu entwickeln, sodass eine hervorragende Übereinstimmung der Materialeigenschaften die Modulherstellung erleichtert und einen langfristig stabilen Betrieb gewährleistet. Und es wurde in tatsächlichen Anwendungen gut demonstriert, zum Beispiel bei den kommerziell erhältlichen Bi2Te3-Modulen, den PbTe-Modulen und den SiGe-Modulen, die von der NASA bei der Erforschung des Weltraums verwendet werden und alle aus den gleichen TE-Grundmaterialien vom n- und p-Typ bestehen .

Als Reaktion auf diese Herausforderung hat das TE-Forschungsteam um Professor Wan Jiang und Lianjun Wang von der Donghua University (DHU) und Doktor Qihao Zhang vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) kürzlich neuartige TE-Module bestehend aus entwickelt von n-Typ- und p-Typ-Legierungen auf Mg3Sb2-Basis. Die gleichen Mg3Sb2-Pellets vom p-Typ und n-Typ werden durch mechanisches Legieren und Funkenplasmasintern hergestellt. Diese beiden Verbindungen weisen aufgrund ihrer analogen Kristallstrukturen und ähnlichen chemischen Zusammensetzungen gut aufeinander abgestimmte TE- und mechanische Eigenschaften auf. Finite-Elemente-Simulationen bestätigen, dass das optimale Beinquerschnittsflächenverhältnis zur Erzielung der maximalen Umwandlungseffizienz bei etwa 1,0 liegt, was für den Zusammenbau der Module günstig ist. Thermomechanische Kopplungsberechnungen zeigen, dass die thermischen Spannungen, die durch den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen den TE-Elementen vom p- und n-Typ verursacht werden, minimiert werden. Eisen wird als Diffusionsbarriereschicht sowohl für n-Typ- als auch für p-Typ-Beine verwendet. Zur Herstellung der TE-Verbindungen wird ein einstufiger Sinterprozess angewendet, der eine starke Verbindung mit geringem Kontaktwiderstand an der Grenzfläche ermöglicht. Darüber hinaus werden vollständig auf Mg3Sb2 basierende TE-Module durch die Entwicklung eines neuen Verbindungsprozesses unter Verwendung von Ag-Verbundpasten hergestellt, der eine Montage bei niedrigen Temperaturen ermöglicht und höheren Betriebstemperaturen standhält. All diese Bemühungen führen zu einem vollständig Mg3Sb2-basierten Modul mit einem hohen Wirkungsgrad von 7,5 % zur Erfassung elektrischer Energie bei einer Wärmequellentemperatur von 673 K und einer außergewöhnlichen Modulzuverlässigkeit gegenüber thermischen Zyklen. Diese Ergebnisse veranschaulichen erfolgreich das große Potenzial der Entwicklung aller Mg3Sb2-basierten Module für die effiziente Stromerzeugung aus minderwertiger, aber äußerst reichlich vorhandener Abwärme.

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Siehe den Artikel:

Hocheffiziente und zuverlässige thermoelektrische Module mit gleichen Eltern, die Verbindungen auf Mg3Sb2-Basis verwenden

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad095

National Science Review

10.1093/nsr/nwad095

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