Thermoelektrische Eigenschaften substituierter Calcium-Manganate : Einfluss der Präparation, Zusammensetzung und Mikrostruktur

Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln thermische in elektrische Energie um. Die Verwendung von geeigneten halbleitenden Oxidkeramiken anstelle der in kommerziellen TEG eingesetzten Halbleitermaterialien (Bi2Te3, PbTe) bietet Vorteile hinsichtlich der Umweltfreundlichkeit, des Einsatzes bei anspruchsvollen Umgebungsbedingungen und des Preises des Generators. Die thermoelektrische Gütezahl zT, also die Effizienz des Materials zur thermoelektrischen Energieumwandlung, ist für halbleitende Oxide allerdings geringer als für die kommerziell eingesetzten Thermoelektrika. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob ausgewählte Strategien, die eine Steigerung der thermoelektrischen Gütezahl von Halbleitermaterialien bewirken können, bei der Anwendung an halbleitenden Oxidkeramiken wirksam sind. Die Untersuchungen wurden am Calcium-Manganat CaMnO3-δ durchgeführt. Hierbei wurden Synthese- und Herstellungsbedingungen bewertet, die Wirkung verschiedener Substituenten analysiert, sowie der Einfluss der Mikrostruktur untersucht. Zusätzlich wurde die Eignung des substituierten Calcium-Manganats für die Verwendung in TEG betrachtet. Mit der etablierten keramischen Multilagentechnologie kann ein transversaler Multilagen-thermoelektrischer Generator (TMLTEG) aus einer halbleitenden Oxidkeramik hergestellt werden. Diese Bauform bietet gegenüber derzeit kommerziell verfügbaren TEG Vorteile bezüglich der Produktionskosten. FEM-Simulationen von TMLTEG auf Basis substituierter Calcium-Manganat-Keramiken zeigten, dass ein TMLTEG-Modul bei einem Temperaturgradienten von ΔT = 60 K und einer mittleren Temperatur von Tm = 69 °C eine elektrische Leistung von PTEG = 4 mW erzeugen kann. Dies ist ausreichend für die Energieversorgung von Anwendungen im Kleinleistungsbereich, beispielsweise dem Betrieb eines energieautarken Sensorsystems in einem Sensornetzwerk.