Advanced Thermoelectric Nanostructures

Thermoelectric generators are devices directly converting heat into electric energy. In contrast to common heat engines, they do not include moving parts and thus feature excellent reliability and low maintenance effort. However, the applications of today's thermoelectric converters are restricted to niche applications due to high costs and low efficiency. In addition, thermoelectric devices utilize rare materials such as Bi, Te and toxic materials such as Pb and Se. High efficiency thermoelectric devices based on more common materials would make mass production economically and ecologically much more attractive. Improving these limitations would open many commercial applications in various fields and a broad power range. A breakthrough in thermoelectric technology, both in terms of higher efficiency and lower costs, will have an enormous technological and economic impact on the global energy system. Promising applications include waste heat recovery in vehicles and from industrial processes, power sources for integrated electromechanical devices (PMEMS) and intelligent sensor networks, as well as direct exploitation of renewable energy sources. On the other hand, efficient, silent, and reliable cooling devices with excellent temperature stability will supersede current refrigeration technology.
The thermoelectric conversion capability of a certain material is represented by the figure of merit ZT, which depends on the Seebeck coefficient, the electrical conductivity, and the thermal conductivity. Good thermoelectric materials exhibit high values for the former paramters, while the thermal conductivy, which basically represents losses, remains low. However, these material properties are generally interdependent, and improving one parameter often degrades another. Thus reported ZT values have remained below one even for the best available bulk materials from the (Bi(1-x)Sb(x))2(Te(1-y)Se(y))3 alloy system.
In order to overcome this observed ZT limitation, the application of artificially nanostructured materials such as 2D superlattices, 1D nanowires, and 0D quantum dots has been suggested in early theoretical work. The introduction of length scale as a design parameter in low dimensional materials offers the possibility of partial control over the material's transport properties. There, the power factor is increased by quantum-confinement effects, depending on the dimensionality of the system. The introduction of multiple interfaces and boundaries provides effective scattering sources that suppress phonon conduction and greatly reduce the thermal conductivity. Electrons and phonons feature different mean free paths so that careful engineering of layer thicknesses and interfaces leads to a better suppression in thermal conductivity than in electrical conductivity so that the power factor still remains high. The main idea is to create a phonon glass, electron crystal, a material that provides good electronic, but reduced thermal conduction.
In this project, a framework for the simulation of thermoelectric materials and devices is developed to aid the design and optimization of new devices and applications. State-of-the-art atomistic and/or first principle simulation approaches provide data on both band structure and transport properties for electrons and phonons. Important physics questions regarding the nature of electron and phonon transport in nanostructures will be investigated. Material properties are provided and verified by the experimental part of this project, which ensures the calibration and evaluation of the simulation tools. The industrial partner provides test structures and measurement samples fabricated on production-near equipment. This collaboration ensures the practical relevance of the theoretical findings as well as the establishment of design tools for thermoelectric devices suitable for various applications.

Thermoelektrische Generatoren sind Bauelemente zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Durch ihren Aufbau ohne bewegliche Teile weisen sie exzellente Ausfallssicherheit und somit extrem niedrigen Wartungsaufwand auf, jedoch sind die momentanen Anwendungen aufgrund der niedrigen bisher erreichten Wirkungsgrade auf Nischen beschränkt. Eine Verbesserung dieser Eigenschaften eröffnet zahlreiche kommerzielle Applikationen in verschiedensten Feldern und Leistungsbereichen. Ein Durchbruch im Entwurf von thermoelektrischen Metamaterialien und Bauelementen, sowohl beim Wirkungsgrad als auch bei den Kosten, wird enorme technologische und wirtschaftliche Auswirkungen auf das globale Energiesystem haben. Zu den bekanntesten, sich derzeit in Entwicklung befindenden Anwendungen zählen die Abwärmerückgewinnung in Kraftfahrzeugen, Energiequellen ("energy harvesting", "energy scavenging") für integrierte elektromechanische Bauelemente (PMEMS) und intelligente Sensornetzwerke sowie die direkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Auf der anderen Seite werden effiziente, geräuschlose und zuverlässige Kühlaggregate mit exzellenter Temperaturstabilität die heutige Kühltechnologie ablösen. Weiters bestehen heutige thermoelektrische Bauelemente aus seltenen Materialien wie Bi, Te und giftigen Materialien wie Blei. Hocheffiziente thermoelektrische Energiewandler basierend auf weitverbreiteten und umweltfreundlichen Materialien machen die Massenproduktion ökonomisch und ökologisch deutlich attraktiver.
Die thermoelektrische Qualität eines bestimmten Materials wird durch die thermoelektrische Gütezahl ZT angegeben, in die der Seebeck-Koeffizient, die elektrische sowie die thermische Leitfähigkeit eingehen. Gute Thermoelektrika haben hohe Werte für erstere Parameter, währenddessen die thermische Leitfähigkeit niedrig bleibt. Jedoch sind die genannte Materialparameter generell voneinander abhängig und somit resultiert die Verbesserung eines Parameters oft in der Verschlechterung eines anderen. Dadurch blieben ZT-Werte für die besten bekannten Materialen aus (Bi(1-x)Sb(x))2(Te(1-y)Se(y))3 Verbindungen unter eins.
Die Einführung künstlich nanostrukturierter Materialien wurde in frühen theoretischen Arbeiten vorgeschlagen, um diese ZT-Limitierung zu überwinden. Dabei wird der elektrische Leistungsfaktor abhängig von der Dimensionalität des Systems durch Quanteneffekte erhöht. Weiters weisen Elektronen und Phononen verschiedene Streulängen auf, wodurch eine entsprechende Dimensionierung der Schichtdicken und Grenzflächen in einer erhöhten Reduktion der thermischen Leitfähigkeit resultiert. In diesem Projekt wird eine Simulationsplattform als wesentlicher Grundstein zur zügigen Entwicklung von thermoelektrischen Bauteilen und Applikationen entwickelt. Dabei liefern moderne Quantensimulationsansätze Informationen über Bandstruktur und Transportparameter sowohl für Elektronen als auch Phononen. Diese Parameter werden im makroskopischen Halbleitersimulator Minimos-NT angewendet. Materialparameter werden durch den experimentellen Teil dieses Projekts zur Verfügung gestellt und verifiziert, wodurch die Kalibrierung und Evaluierung der Simulationsplattform sichergestellt ist. Der Industriepartner stellt Teststrukturen und Messproben zur Verfügung, die auf produktionsnahen Maschinen gefertigt werden. Diese Kooperation sichert die praktische Relevanz der theoretischen Erkenntnisse sowie die Etablierung einer Entwicklungsplattform zur schnellen Entwicklung thermoelektrischer Elemente für verschiedenste Anwendungen.