Nano-Structured High-Efficiency Thermo-Electric Converters

The NanoHiTEC project is focused on planar thermo-electric converters based on super-lattice quantum wells, which have shown on laboratory scale already a figure of merit ZT > 4 for a wide temperature range. The optimization of BiTe based layer systems as well as Si/SiGe and B4C/B9C lattices will be combined with the development of low cost/high throughput industrial deposition processes for multilayers. Direct p-n-junctions at the hot side of the converter promise further increase in performance and long term stability of the devices, but also simplified fabrication. As technologies for improved material performance multilayered nanowires and sintered nanopowders will be investigated.
A central point of NanoHiTEC is the optimization of the passive components (thermal and electrical contacts, substrates) and of new geometries for the layout of planar converters to maximize the system efficiency. In this field particular emphasis is given to the heat flow into the hot and out of the cold side of the active elements where actual devices show the most efficiency loss. The developments in the project are backed by partners experienced in the qualification of thermo-electric materials and devices. Besides the parameters defining the thermoelectric performance - measured in a wide range of temperatures, pressures and magnetic fields - the microstructure, dopant distribution and the inner potentials will be investigated by scanning microscopy and TEM (holography).
A major part of the project is the simulation of electronic and phononic properties based on the material microstructure. Intense interaction of theoretical work and characterization results of fabricated systems will pave the way for further enhanced material efficiency and better producibility. A main target is the integration in automotive applications where the high efficiency of superlattice systems over a broad temperature range promises good adaptation to the varying conditions in vehicles.

Das Projekt NanoHiTEC behandelt planare thermoelektrische Konverter, welche auf so genannten Übergittern basieren. Mit diesen Systemen konnte unter Laborbedingungen bereits eine Gütezahl ZT > 4 über einem weiten Temperaturbereich erreicht werden. BiTe-Schichtsysteme sowie Si/SiGe- und B4C/B9C-Übergitter sollen für kostengünstige industrielle Abscheidungsprozesse mit hohem Durchsatz optimiert werden.
Die Verwendung direkter p-n Übergänge an der heißen Seite des Konverters versprechen einen höheren Wirkungsgrad, eine bessere Zuverlässigkeit sowie eine einfachere Herstellung.
Um verbesserte Materialeigenschaften zu erhalten, werden Technologien wie Nanodrähte und gesinterte Nanopulver untersucht. Ein Schwerpunkt von NanoHiTEC ist die Optimierung der passiven Komponenten (thermische und elektrische Kontakte, Substrate) und neuer Geometrien für planare Konverter mit dem Ziel, den Systemwirkungsgrad zu maximieren.
Im Besonderen sollen die Wärmeübergänge an den heißen und kalten Seiten der aktiven Elemente genauer untersucht werden, da existierende Thermoelemente an diesen Stellen die größten Wirkungsgrad-Einbußen aufweisen.
Zusätzlich zu den eigentlichen thermoelektrischen Parametern, die in einem weiten Bereich von Temperatur, Druck und Magnetfeld gemessen werden, werden auch Mikrostruktur, Dotierungs- und Potenzialverteilungen mit Hilfe von scanning microscopy und TEM genauer untersucht.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts ist die Simulation der elektronischen und phononischen Eigenschaften der verwendeten Mikrostrukturen. Die intensive Verbindung zwischen theoretischen Untersuchungen und experimenteller Charakterisierung soll Wege aufzeigen, um einen höheren Material-Wirkungsgrad und verbesserte Herstellbarkeit zu erreichen Ein Ziel ist die Integration in Kraftfahrzeug-Anwendungen, da Übergitter-Systeme einen hohen Wirkungsgrad über einen großen Temperaturbereich versprechen, eine Eigenschaft, die für eine gute Anpassung an die verschiedenen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs erforderlich ist.