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Thermoelektrische Effekte beschreiben die direkte Verknüpfung von thermischer Energie und elektrischer Energie in Festkörpern. Durch Thermodiffusionsströme entsteht direkt, ohne beweg¬liche Teile, ein elektrisches Feld als Folge einer Temperaturdifferenz. Diese Material-eigenschaft wird durch den Seebeckkoeffizienten beschrieben. Je nach Art der Ladungs¬träger sind die indu¬zierte Spannung und der Seebeckkoeffizient positiv (p-Typ) oder negativ (n-Typ). Thermo¬elek¬trische Effekte lassen sich beispielsweise in Thermo¬elementen zur Temperatur-messung, in Pel¬tierelementen zum Kühlen oder Heizen und in thermo¬elektrischen Generatoren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nutzen.
In thermoelektrischen Generatoren werden Schenkel aus p-Typ- und n-Typ-Materialien elek-trisch in Reihe und thermisch parallel verschaltet. Konventionell werden einzelne Schenkel aus Bismut¬tellurid auf ein metallisiertes Substrat gelötet. Man spricht vom π-Typ-Design. Aufgrund auf¬wendiger Fertigung und nicht optimaler Flächennutzung stellt dieses Design nicht die best-mög¬liche Lösung dar. Neben Telluriden gibt es noch andere vielversprechende thermoelektrische Material¬systeme wie die oxidischen Thermoelektrika. Im Temperatur¬bereich oberhalb von 700 °C können oxidische thermoelektrische Materialien mit nichtoxidischen konkurrieren. Zudem sind sie oxidationsbeständig und können aus weniger toxischen und besser verfügbaren Rohstoffen her¬ge¬stellt werden. Da es sich um keramische Materialien handelt, können unter Nutzung der Multi¬layer¬technologie (auch Vielschicht- oder Mehrlagentechnik) Generatoren im Multilayer¬design hergestellt werden. Keramische Multi¬layer¬generatoren sind aufgrund der höheren Leis¬tungs¬dichte, der Möglichkeit der gezielten Texturierung und des hohen möglichen Auto¬mati¬sierungs¬grades des Herstellungs¬prozesses eine viel¬versprechende Alternative zu konven¬tionellen π-Typ-Generatoren. Alle Lagen werden in einem Schritt co-gesintert. Die beiden zum jetzigen Zeit¬punkt wohl viel¬versprechendsten oxi¬dischen Thermoelektrika sind Calcium-cobaltit Ca3Co4O9 als p-Typ und Calciummanganat CaMnO3 als n-Typ. Die Sinter¬tem¬peratur von Ca3Co4O9 ist durch eine Phasenumwandlung bei 926 °C beschränkt. Texturiertes, dichtes Ca3Co4O9 mit einer hohen Festigkeit kann nur über Hei߬pressen hergestellt werden. Das Co-Sintern von Ca3Co4O9 und CaMnO3 war wegen der Tem¬pera¬tur¬differenz von 350 K zwischen den jeweiligen Sinterintervallen bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Ent¬wick¬lung von kompatiblen oxidkeramischen Werkstoffen und Folien für thermoelektrische Multilayer-generatoren auf der Basis von Ca3Co4O9 und CaMnO3.
Daraus resultieren vier wesentliche Arbeitspakete. Zunächst die Materialentwicklungen von Ca3Co4O9 (p-Typ) und CaMnO3 (n-Typ) für ein Co-Sintern bei 900 °C mit akzeptablen thermoelek¬trischen Eigenschaften, dann die Entwicklung der weiteren im Generator benötigten Kompo¬nenten wie der Isolationsschicht und abschließend die Fertigung und Bewertung von Demonstra¬toren im Multi¬layer¬design.
Foliengießen und druckunterstütztes Sintern ermöglichen die Herstellung von dichtem, tex-turier¬tem Ca3Co4O9 mit hoher Festigkeit und hohem Leistungsfaktor. Letzterer ist das Produkt der elek¬trischen Leitfähigkeit und dem Quadrat des Seebeckkoeffizienten. Für die elektrische Leit¬fähigkeit zeigte sich in dieser Arbeit ein kombinierter Einfluss von Sinterdichte und Textur. Die thermo¬elektrischen Eigen¬schaften lassen sich somit über die Einstellung der Mikrostruktur gezielt steuern.
Durch die Optimierung der Pulversynthese, die Einführung des Sinteradditives CuO und die Kombi¬nation mit dem druckunterstützten Sintern (7,5 MPa) konnte die Sintertemperatur des CaMnO3 bei gleichbleibendem Leistungsfaktor von 1250 °C auf 950 °C gesenkt werden. Druck-unter¬stütztes Sintern von CaMnO3 ist bei 900 °C möglich, führt aber zu einem Werkstoff mit geringerem Leistungsfaktor, geringerer Dichte und ungenügender Festigkeit.
Zur elektrischen Isolation der beiden thermoelektrischen Materialien wurde ein Glas-Keramik-Kompo¬sit mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungs¬koef¬fizienten ent¬wickelt.
Aus den zu Folien vergossenen thermoelektrischen Materialien, der siebgedruckten Iso¬lations-schicht und der siebgedruckten Metallisierung wurden mittels Multilayertech¬nologie De¬mons-tratoren hergestellt. Neben dem pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 wurden auch Unileg-generatoren aus Ca3Co4O9 gefertigt. Bei Unileggeneratoren wird die Komplexität des Aufbaus durch die Verwendung von nur einem thermoelektrischen Material verringert. Die Simulation der Demonstratoren zeigte, dass der pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 keine höheren Leis-tungsdichten erbringt als der aus nur Ca3Co4O9 bestehende Unileg¬generator. Auf¬grund des ge-ringen Leistungsfaktors und der geringen Festigkeit des bei 900 °C gesinterten CaMnO3 er¬scheint die Fertigung von pn-Multilayer¬generatoren aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 derzeit nicht sinn¬voll. Die Unileg¬generatoren aus Ca3Co4O9 erreichen mit sehr hoher Reproduzier¬barkeit 2 mW/cm² bei einer Temperaturdifferenz von 230 K, dies entspricht 80 % der simulierten elektrischen Leistung. Es handelt sich hierbei um den ersten Machbarkeits¬nachweis zur Herstellung von Multilayer-generatoren auf Basis von texturiertem Ca3Co4O9 mit hohem thermoelektrischem Leistungsfaktor, hoher Dichte und hoher Festigkeit.
Solch thermoelektrische Multilayergeneratoren könnten zukünftig Systeme mit geringen elek-trischen Leistungsanforderungen wie Sensoren autark und nachhaltig mit elektrischer Energie ver¬sorgen.
Calciumcobaltit und Calciummanganat gehören zu den vielversprechendsten thermoelektrischen Oxiden im Temperaturbereich zwischen 600 °C und 800 °C an Luft. Mittels thermoelektrischer Generatoren kann ein Temperaturgradient direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Für die kostengünstige Pulverherstellung von Funktionsmaterialien wird im industriellen Maßstab meist die Festphasenreaktion (bzw. Kalzinierung) verwendet. Da es sich dabei um einen Hochtemperaturprozess handelt, ist diese Kalzinierung sehr energieintensiv. In der Literatur werden sehr unterschiedliche Prozessbedingungen zur Pulversynthese thermoelektrischer Oxide genutzt. Soweit dem Autor bekannt, ist keine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften publiziert.
Deshalb wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen (Temperatur, Haltezeit, Partikelgröße, Wiederholungen) auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Calciumcobaltit und Calciummanganat durchgeführt.
Es konnte gezeigt werden, dass sich ein höherer Energieeintrag während der Kalzinierung negativ auf die thermoelektrischen Eigenschaften auswirkt.
Thermoelektrische Generatoren können zum „Energy harvesting“ für den autarken Betrieb von bspw. Sensoren eingesetzt werden. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen π-Typ Generatoren sind auf Grund der höheren Leistungsdichte und der guten Automatisierbarkeit thermoelektrische Multilayergeneratoren. Calciumcobaltit ist ein vielsprechendes oxidisches Thermoelektrika (p-Typ) mit stark anisotropen Eigenschaften. Die hier vorgestellte Studie zeigt die Entwicklung von texturierten Unileg-Multilayer-Generatoren mittels keramischer Multilayertechnologie.
Calciumcobaltit wird durch Foliengießen und druckunterstützte Sinterung texturiert. Im Vergleich zur konventionellen Sinterung verbessert sich die Festigkeit um den Faktor 10. Die thermoelektrischen Eigenschaften können je nach verwendetem Druckniveau hinsichtlich maximalem Power Factor oder hinsichtlich maximalem Gütefaktor optimiert werden.
Ein Glaskeramikkomposit wird als Isolationsmaterial mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten entwickelt. Der Unileg-Multilayer-Generator wird in einem Schritt co-gesintert. Die hergestellten Demonstratoren erreichen 80% der simulierten Output-Leistung. Diese Ergebnisse stellen den ersten Machbarkeitsnachweis für die Herstellung von co-gesinterten Multilayer-Generatoren aus texturiertem Calciumcobaltit mit hohem Power Factor und hoher Festigkeit dar.
Thermoelektrische Materialien können durch die Nutzung des Seebeckeffektes einen Temperaturunterschied direkt in eine Spannung umwandeln. Calciumcobaltit (p-typ) und Calciummanagant (n-typ) sind 2 der vielversprechendsten oxidischen thermoelektrischen Materialien. Für die Entwicklung von kostengünstigen Multilayergeneratoren ist das Co-sintern dieser beiden Materialien notwendig und deshalb eine Anpassung der Sintertemperatur nötig. Calciummangant wird herkömmlicherweise zwischen 1200°C und 1350°C gesintert. Calciumcobaltit erfährt einen ungewünschte Phasenumwandlung bei 926°C, es kann allerding bei 900°C unter 7.5MPa zu 95% dicht gesintert werden. Demzufolge, ist eine Co-sintertemperatur von 900°C anzustreben. Aus diesem Grund wurden mehrere Strategien zur Absenkung der Sintertemperatur von Calciummanaganat untersucht. Zum einen die Zugabe niedrigschmelzender Additive, zum anderen die Zugabe von Additiven, die eine eutektische Schmelze bilden. Es konnte gezeigt werden, dass für Calciummanganat die Verwendung von eutektischen Schmelzen besser geeignet ist als die Verwendung von niedrigschmelzenden Additiven um die Sintertemperatur zu senken.“