Einleitung
Thermoelektrische Materialien sind vielversprechend für die Nutzung von Abwärme. Beispiele dafür sind die Erzeugung von elektrischer Energie durch Umwandlung der Abwärme von Autoabgasen oder von Kühlvorrichtungen in Kraftwerken. Wichtig zu berücksichtigende physikalische Eigenschaften sind der sogenannte Seebeck-Koeffizient (S), die WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit (λ) sowie die elektrische Leitfähigkeit (σ). Die bekannte Figure of Merit (ZT) beschreibt die Leistungsfähigkeit solcher Materialien:
ZT = (S2 λ-1)
S = Seebeck-Koeffizient oder thermische Leistung [μV/K]
σ = elektrische Leitfähigkeit [S/cm]
λ = gesamte Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)], mit λ = ρ∙cp∙a
T = absolute Temperatur.
Aus dieser Formel lässt sich ableiten, dass das Material bei einem hohen ZT-Wert einen hohen Seebeck-Koeffizienten und niedrige Wärmeleitfähigkeitswerte haben sollte.
PbTe ist ein potenzieller Kandidat für solche Anwendungen, da es einen moderaten Seebeck-Koeffizienten und eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Ergebnisse und Diskussion
Die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität der PbTe-Proben wurde mit einer NETZSCH DSC im Temperaturbereich von RT bis 300 °C nach der Verhältnismethode gemessen.
Abbildung 1 zeigt die cp-Kurve der PbTe-Proben. Die spezifischen Wärmekapazitätswerte liegen im Bereich von 0,15 J/(g·K) bis 0,16 J/(g·K), was charakteristisch für dieses Material ist.
Die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit von PbTe wurde mit einer NETZSCH LFA gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit kann mit folgender Formel berechnet werden:
λ(T) = a(T) ∙ cp(T) ∙ ρ(T)
mit
cp = spezifische Wärmekapazität
ρ = DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte
T = Temperaturleitfähigkeit
In Abbildung 2 sind die Temperaturleitfähigkeits-, spezifischen Wärmekapazitäts- und Wärmeleitfähigkeitskurven dargestellt.
Zusammenfassung
Die Temperaturleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität von PbTe wurden mit LFA- und DSC-Geräten gemessen. Die Temperaturleitfähigkeit, die eine sehr wichtige Eigenschaft für die Auswertung der Effizienz thermoelektrischer Materialien ist, wurde unter Verwendung dieser Daten zusammen mit der Dichte des Materials berechnet. Beide Ergebnisse fließen in die Berechnung des ZT-Wertes ein.