Bleitellurid mit erhöhter mechanischer Stabilität für zylindrische thermoelektrische Generatoren

  • Lead telluride with increased mechanical stability for cylindrical thermoelectric generators

Schmitz, Andreas; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanische Stabilität von Bleitellurid (PbTe) zu verbessern, wobei der Versuch unternommen wird, die mechanischen Eigenschaften unabhängig von den thermoelektrischen Eigenschaften zu variieren. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss der Materialpräparation sowie verschiedener Dotierungen auf die mechanischen und thermoelektrischen Eigenschaften von Bleitellurid untersucht. Das Mahlen und Sintern von Bleitellurid führt bei geeigneter Einstellung der Prozessparameter zu einer erhöhten Härte des Materials. Sintertemperaturen von über 300°C führen zu stabilem Material hoher Dichte. Das Mahlen des Bleitellurids erzeugt Gitterdefekte, die die Ladungsträgerkonzentration im Material reduzieren. Diese Defekte werden mit steigender Sintertemperatur zunehmend abgebaut. Bei der thermischen Zyklierung des Materials führen durch das Mahlen eingebrachte Verunreinigungen zu einer deutlichen Reduktion der Dichte der Proben. Darüber hinaus führt das Ausdampfen von Tellur bei erhöhten Temperaturen zu einer Instabilität der thermoelektrischen Eigenschaften. Beste thermoelektrische und mechanische Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit bei Sintertemperaturen von ca. 400°C unter Verwendung von grob gemörsertem Pulver mit breiter Korngrößenverteilung erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Konzept entwickelt, die mechanischen Eigenschaften von Bleitellurid durch Legierungsbildung mit Elementen, die elektrisch nicht dotierend wirken und so die thermoelektrischen Eigenschaften möglichst nicht beeinflussen, zu variieren. Es wurde daher das System Pb1-xCaxTe mechanisch und thermoelektrisch untersucht. Die Dotierung von PbTe mit Calcium führt zu einer deutlichen Zunahme der Materialhärte bei unverändertem elastisch-plastischen Verhalten. Gleichzeitig wirkt Calcium nur minimal dotierend und hält die thermoelektrischen Eigenschaften bis auf eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit weitgehend unverändert. Am Beispiel von natriumdotiertem Bleitellurid, wie es für thermoelektrische Generatoren genutzt wird, wurde das beschriebene Konzept bestätigt: Die zusätzliche Calciumdotierung führt zu einer Zunahme der Materialhärte bei nach wie vor sehr guten thermoelektrischen Eigenschaften mit einer maximalen Gütezahl von ZT = 1,2. Erstmals wurden im Rahmen dieser Arbeit neben den thermoelektrischen auch die mechanischen Eigenschaften von lanthandotiertem Bleitellurid untersucht. Lanthan führt zu einer deutlichen Zunahme der Härte des Materials. In den gesinterten Proben finden sich in großer Menge lanthanreiche Ausscheidungen, was teilweise auf die verwendete Präparationsroute zurückgeführt wird. Darüber hinaus zeigt das Material hinsichtlich der thermoelektrischen Eigenschaften eine hohe Instabilität, deren Ursache noch ermittelt werden muss. Auf Basis der vorgestellten Prozess- und Materialentwicklungen wurde der Prototyp eines zylindrischen thermoelektrischen Generatormoduls hergestellt. Hierzu wurde ein Verfahren zum Sintern rohrförmiger Halbzeuge aus Bleitellurid entwickelt.

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