Kurzfassung

THERMOELEKTRISCHE GENERATOREN sind Bauteile zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Ihre herausragende Ausfallsicherheit beruhend auf einem Aufbau ohne beweglicher Teile macht sie zu attraktiven Kandidaten für eine Reihe von Anwendungen, jedoch ist die Verwendung heutiger Thermogeneratoren durch ihre niedrige Effizienz und hohe Kosten auf spezielle Nischen eingeschränkt. Die Optimierung thermoelektrischer Bauelemente für thermische und geometrische Gegebenheiten benötigt eine physikalisch basierte Simulationsumgebung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung und Anwendung der Halbleiter-Bauelementsimulation auf thermoelektrische Strukturen.

In einem theoretischen Teil wird die Beschreibung des Ladungsträgertransports entwickelt. Modelle, die auf verschiedenen Näherungen des Streuoperators der Boltzmann-Gleichung beruhen werden systematisch mit Hilfe der Momentenmethode hergeleitet und mit einem phänomenolo-gischen Zugang verglichen. Der theoretische Seebeckkoeffizient, der eine bedeutende Rolle in thermoelektrischen Bauteilen spielt, wird diskutiert und mit Messdaten verglichen.

Nachfolgend sind im materialspezifischen Teil der Arbeit wichtige Eigenschaften thermoelektrischer Materialien sowie mögliche Ansätze zur Optimierung aufgezeigt. Nach einem Überblick der wichtigsten thermoelektrischen Materialien sowie deren Eigenschaften steht Bleitellurid im Mittelpunkt des Interesses, welches ein interessantes Material für den mittleren Temperaturbe-reich darstellt. Weiters werden detaillierte physikalische Modelle für alle simulationsrelevanten Grössen ausgeführt.

Der praktische Teil beinhaltet Fallstudien für konventionelle Thermogeneratoren sowie für eine neuartige Diodenstruktur. Simulationsergebnisse von Strukturen basierend auf Silizium sowie Bleitellurid werden mit Messdaten verglichen, wobei exzellente Übereinstimmung erreicht wird. In einer ausführlichen Simulationsstudie werden die Einflüsse verschiedener Entwurfsparameter wie Geometrie, Materialzusammensetzung und Dotierprofil auf das Bauteilverhalten untersucht. Weiters ist das Verhalten unter nicht-idealen thermischen Umgebungsbedingungen Gegenstand der Untersuchung. Die neuartige Diodenstruktur weist eine hohe Flexibilität bei der Anpassung an vorgegebene Bedingungen auf.

M. Wagner: Simulation of Thermoelectric Devices