Polymerbasierte Thermoelektrik: Organische Komposit-Dünnschichten zur Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie

Stipendiatin/Stipendiat: Marie Siegert

Thermoelektrische Generatoren ermöglichen die direkte Umwandlung thermischer in elektrische Energie. Auf Basis organischer Verbindungen besitzen sie als umweltfreundliche, kosteneffiziente Alternative zu anorganischen Materialien ein enormes Potential hinsichtlich der Energierückgewinnung aus Abwärme. Unter Berücksichtigung des Anteils der Verlustwärme von rund 72 % am weltweiten primären Energieverbrauch [1] wird die Notwendigkeit dieser rekuperativen Technologie offensichtlich.

Die Effizienz thermoelektrischer Generatoren hängt entscheidend von der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie dem Seebeck-Koeffizienten der verwendeten Materialien ab. Ein für thermoelektrische Anwendungen geeignetes Material besitzt vorzugsweise eine geringe thermische und gleichzeitig hohe elektrische Leitfähigkeit sowie einen großen Seebeck-Koeffizienten.

Polymere zeichnen sich aufgrund ihrer schwachen van-der-Waals Bindung zwischen den Ketten bereits durch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Als flüssig prozessierbarer Werkstoff können sie zudem in zahlreiche industrielle Prozesse integriert werden und eröffnen durch ihre funktionalen und mechanischen Eigenschaften neue Anwendungsbereiche. Allerdings weisen polymere Werkstoffe aufgrund der inhärenten strukturellen Unordnung und der geringen Zahl an freien Ladungsträgern keine hohen elektrischen Leitfähigkeiten auf.

Ziel des beantragten Promotionsvorhabens ist es daher, durch Einbettung geeigneter, hochleitfähiger organischer Additive eine signifikante Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit ausgewählter Polymere mit technologischem Potential zu erreichen, ohne dabei deren andere thermoelektrische Größen, insbesondere den Seebeck-Koeffizienten, negativ zu beeinflussen. Dazu steht, neben der Bestimmung der thermoelektrischen Parameter, der Einfluss der Komposit-Morphologie auf den Ladungsträgertransport im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Zu Beginn des Projekts soll ein Präparationsprotokoll zur reproduzierbaren Herstellung von polymeren Komposit-Dünnschichten mit unterschiedlicher Dicke, Additivkonzentration und -verteilung auf Glas- sowie Foliensubstraten etabliert werden. Die flüssig prozessierten Filme werden anschließend thermoelektrisch charakterisiert und die zentralen Parameter elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie der Seebeck-Koeffizient quantifiziert. Ergänzende temperaturabhängige Messungen werden Rückschlüsse auf die mikroskopischen Transportmechanismen im Polymer-Additiv-Komposit gestatten. Zusammen mit den strukturellen Informationen werden die thermoelektrischen Daten anhand theoretischer Modellvorhersagen bewertet und darauf aufbauend Strategien zur weiteren Optimierung und Verbesserung der polymerbasierten Thermoelektrika für deren zukünftigen Einsatz entwickelt.

 

[1] C. Forman, I. Muritala, R. Pardemann, and B. Meyer. Estimating the global waste heat potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 57:1568-1579, 2016.

Förderzeitraum:
01.07.2020 - 30.06.2023

Institut:
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Lehrstuhl für Experimentelle Physik VI

Betreuer:
Prof. Dr. Jens Pflaum

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: https://www.physik.uni-wuerzburg.de/ep6/pflaum-group/