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23.05.2019 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Rekordverdächtiges Zinnselenid

Autor:
Dieter Beste

Thermoelektrika können Wärme in Strom und Strom in Wärme umwandeln. Gegenwärtig rückt Zinnselenid in den Fokus der Forschung, denn das Material kann den bisherigen Rekordhalter aus Wismuttellurid an Effizienz deutlich übertreffen.

 

"Der thermoelektrische Effekt beschreibt den Zusammenhang zwischen elektrischer Potenzial- und Temperaturdifferenz und zwischen elektrischer Stromdichte und Wärmestromdichte in einem Material", erklärt Wellmann in "Materialien der Elektronik und Energietechnik" auf Seite 251: Ein elektrischer Stromfluss lässt sich direkt in einen Wärmefluss umwandeln und umgekehrt ein Wärmefluss in einen Stromfluss – die Thermoelektrik funktioniert in beide Richtungen. Und je nach Anwendung "macht man sich bei der Beschreibung der thermoelektrischen Vorgänge die Phänomene des Seebeck-, Peltier- und Thomson-Effektes zunutze", so Wellmann weiter. Zum wissenschaftsgeschichtlichen Hintergrund der Thermoelektrizität findet sich eine interessante Beschreibung der Entdeckung in "Das Experiment in der Physik" (Seite 132) der Springer-Autoren Fritz Fraunberger und Jürgen Teichmann.

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Thermoelektrika

Der thermoelektrische Effekt beschreibt den Zusammenhang zwischen elektrischer Potenzial- und Temperaturdifferenz und zwischen elektrischer Stromdichte und Wärmestromdichte in einem Material. Je nach Anwendung macht man sich bei der Beschreibung …


Seit 1821 ist der thermoelektrische Effekt bekannt: In bestimmten Materialkombinationen erzeugt ein Temperaturunterschied einen elektrischen Strom. Wird ein Ende der Probe erhitzt, beispielsweise durch Abwärme aus einem Verbrennungsmotor, dann kann ein Teil dieser sonst verlorenen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Allerdings ist der thermoelektrische Effekt in den meisten Materialien extrem klein. Denn für einen großen thermoelektrischen Effekt muss die Wärmeleitung schlecht sein, die elektrische Leitfähigkeit dagegen hoch. Fast immer hängen Wärmeleitung und elektrische Leitfähigkeit jedoch eng zusammen. Deshalb setzt man bei der Suche nach thermoelektrischen Elementen auf Verbindungen mit speziellen kristallinen Strukturen wie Wismuttellurid (Bi2Te3). Wismuttellurit zählt zu den besten bisher bekannten Thermoelektrika. Allerdings zählen sowohl Wismut als auch Tellur zu den seltenen Elementen, was der massenhaften Verwendung Grenzen setzt. Die Suche nach geeigneten Thermoelektrika aus reichlich vorhandenen ungiftigen Elementen geht somit weiter.

Untersucht wird zum Beispiel die Verbindung Zinnselenid (SnSe). Vor sechs Jahren entdeckte ein Forschungsteam aus den USA, dass Zinnselenid oberhalb von 500 Grad Celsius etwa 20 Prozent der Wärme in elektrische Energie umwandeln kann. Dieser Wert ist enorm und übersteigt den Wert von Wismuttellurid deutlich. Verantwortlich für diesen sehr großen thermoelektrischen Effekt ist ein sogenannter struktureller Phasenübergang: Zinnselenid ist aus Schichten aufgebaut, ähnlich wie ein Blätterteig. Oberhalb von 500 Grad Celsius beginnen sich die Schichten gegeneinander neu anzuordnen. Dabei nimmt die Wärmeleitung in einer Richtung ab, während die Ladungsträger beweglich bleiben. In dieser Richtung wird der thermoelektrische Effekt in Zinnselenid bisher von keinem anderen Material übertroffen.

Das graue Zinn-II-selenid (SnSe) stellt man durch Erhitzen einer Mischung der Elemente auf eine Temperatur von 350 °C her. Es ist ein IV-VI-Halbleiter mit kleiner Bandlücke und hat einige Einsatzfelder in der Photovoltaik." Hermann Sicius: "Kohlenstoffgruppe - Elemente der vierten Hauptgruppe", Einzeldarstellungen, Seite 34.

Jetzt hat ein internationales Team um Ulrich Schade am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) mit Hilfe von Infrarotspektroskopie an Bessy II und mit harter Röntgenstrahlung an Petra III Proben aus Zinnselenid durchleuchtet. Die Messungen, über die die Forscher in "Physical Chemistry Chemical Physics" berichten, zeigen, dass die gewünschte Kristallstruktur entweder durch hohe Temperaturen bei Normaldruck oder durch hohen Druck (oberhalb von 10 GPa) bei Raumtemperatur erzeugt werden kann. "Wir können mit unseren Ergebnissen über einen weiten Temperatur- und Druckbereich erklären, warum Zinnselenid so ein herausragendes Thermoelektrikum ist", sagt Ulrich Schade. Bis aber Thermoelektrika auf Basis von Zinnselenid auf den Markt kommen, seien weitere Schritte nötig, zum Beispiel, die Langzeitstabilität zu verbessern. Dann aber könnte Zinnselenid eine preisgünstige Alternative zu Wismuttellurid sein, zumal die Elemente Zinn und Selen ausreichend verfügbar sind. 

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