Untersuchung zur Anwendung der Nanostrukturierung in der Thermoelektrik

Abstract

Der Wunsch nach umweltfreundlicher und effizient erzeugter Energie gewinnt zunehmend an Relevanz. Insbesondere die Rückgewinnung kleinster Energiemengen ist für das low-power-Segment, beispielsweise für autarke Sensorsysteme oder das Internet of Things, von großer Bedeutung. In diesem Zusammenhang bieten thermoelektrische Generatoren (TEG) die Möglichkeit der direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie und somit des Energy Harvestings ungenutzter Abwärme. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades übersteigen TEG bisher nicht den Status eines Nischenproduktes. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen jedoch die Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrades bei Verwendung nanostrukturierter thermoelektrischer Materialien.

Im Rahmen dieses Buches wird daher die Anwendung der Nanostrukturierung in der Thermoelektrik untersucht. Dies beinhaltet die Entwicklung eines grundlegenden Prozessablaufs zur Herstellung nanostrukturierter TEG. Hierzu werden mithilfe des Depositions- und Rückätzverfahrens quasieindimensionale Strukturen aus Bismuttellurid hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wird unter Verwendung von FEM-Simulationen der Einfluss verschiedener Geometrieparameter diskutiert. Hierbei wird insbesondere die Veränderung des Generatorinnenwiderstandes sowie der Thermospannung analysiert. Des Weiteren erfolgt die Simulation und Realisierung einer Spannungswandlerschaltung speziell für hochohmige, nanostrukturierte TEG. Das zweistufige System nutzt einen Meißner-Oszillator als Anlaufschaltung und einen Aufwärtswandler mit Maximum-PowerPoint-Tracking als effektive Endstufe.