Gut Strom, schlecht Wärme leitend
„Wir werden die Substanzen bestmöglich aufreinigen und daraus einkristalline Proben herstellen“, erklärt Jens Pflaum. Auf diesem Gebiet zählt seine Arbeitsgruppe zu einer der führenden auf der Welt. „Einkristallin“ bedeutet: Die Probe ist von jeglichen Verunreinigungen befreit, und die Moleküle gruppieren sich nahezu fehlerfrei in extrem hoch geordneter Weise. Dies ist der einzige Zugang, um an die materialrelevanten Kenngrößen zu kommen, ohne Überlagerung unerwünschter Effekte.
Extrem gut Strom und äußerst schlecht Wärme leitend: So muss der ideale thermoelektrische Funktionsbaustein aussehen. In einem thermoelektrischen Wandler kommt er immer paarweise, chemisch modifiziert zum Einsatz. In der einen Modifikation stellt das Material freie Elektronen für den Wärme- und Ladungstransport von der warmen Seite zur Verfügung; die andere Variante sorgt umgekehrt für einen Überschuss an „Elektronen-Fehlstellen“ – Physiker sprechen in diesem Fall von Löchern.
Autohersteller nutzen Technik bereits
Als Brücke zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Temperatur eingebaut, sorgt dieses „Thermopaar“ dafür, dass sowohl Elektronen als auch Löcher mit höherer Bewegungsenergie vom warmen zum kalten Bereich diffundieren und dabei einen Wärme- und elektrischen Stromfluss erzeugen (s. Abbildung). Schaltet man eine große Zahl dieser thermoelektrischen Komponenten in Reihe, liefern sie eine für Anwendungen nutzbare Spannung.
Wie hoch diese Spannung und die damit verbundene Leistung der thermoelektrischen Generatoren ist, hängt zu einem hohen Maß von der Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite ab und bei welcher Temperatur der thermoelektrische Generator betrieben wird. „Einige große Autohersteller nutzen die Technik der thermoelektrischen Generatoren bereits heute, um aus der Abwärme des Auspuffs elektrische Leistungen von mehr als 600 Watt zu erzeugen“, erklärt Jens Pflaum. Allerdings werden dazu noch die „klassischen“ Generatoren verwendet, basierend auf einem Material-Mix, der auch Bismut-Tellurid enthält. Generatoren auf organischer Basis könnten nach Ansicht des Physikers einen deutlich höheren Wirkungsgrad erreichen.