Universelle p-Typ Cu2Se-basierte thermoelektrische Materialien und druckbare flexible TEG mit hoher Leistungsdichte

Umweltstabile, 2D/3D-druckbare anorganische thermoelektrische p-type Materialien basierend auf einem anorganischen Bindemittel aus einer Mischung von Cu-, Se- und S-Pulver. Die entsprechenden flexiblen thermoelektrischen Generatoren (TEGs) können mit einem kostengünstigen Druckverfahren reproduzierbar und effizient hergestellt werden, weisen eine hohe Leistungsdichte auf und ermöglichen breitere Einsatzmöglichkeiten als bisher, d. h. sie können auch in nicht-flache Oberflächen verschiedener mikro- und komplexer elektronischer oder mechanischer Systeme integriert werden.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln Wärmeströme (Temperaturunterschiede) durch den so genannten Seebeck-Effekt direkt in elektrische Energie um. Diese vielversprechende Energieumwandlungs-technologie ist im Vergleich zu herkömmlichen Wärmekraftmaschinen weniger sperrig und kommt zudem ohne bewegliche Teile aus. Leider sind herkömmliche TEGs in der Regel teurer, weniger effizient und können bisher nicht mit anderen umweltfreundlichen Energieumwandlungstechnologien wie etwa der Photovoltaik konkurrieren. Daher werden TEGs noch nicht in großem Umfang genutzt. Leistungsstarke druckbare TE-Materialien bzw. derartige TEGs könnten dagegen durch niedrige Produktionskosten, Formanpassungsfähigkeit und eine hohe Ausgangsleistungsdichte großtechnische Anwendungen ermöglichen. Unter den herkömmlichen TE-Materialien werden (SbBi)2Te3-basierte Materialien häufig für TE-Bauelemente verwendet. (SbBi)2Te3-basierte n- und p-Typ-TE-Materialien wurden ausgiebig untersucht, um sie druckbar zu machen und dennoch ihre hohe Leistung bei Raumtemperatur zu erhalten. Leider führt die Störung des Ladungsträgertransports an den Korngrenzen durch Bindemittel und Additive zu einer Verringerung der Gesamtgütezahl ZT. Auf Bi2Te3 basierende p- und n-Typ lackierte/3D-gedruckte TE-Filme mit einem ZT von etwa 1 wurden unter Verwendung eines anorganischen Bindemittels aus einer Sb2Te3-ChaM-Lösung beschrieben. Der Syntheseprozess ist jedoch kompliziert und erfordert mehrere Schritte. Alle oben genannten gedruckten TE-Materialien sind nur begrenzt flexibel/biegbar.

Druckbehandlungsfreie, hochleistungsfähige und umweltstabile flexible druckbare TE-Materialien für Geräteanwendungen sind bisher nicht verfügbar. Dies ist hauptsächlich auf niedrige elektrische Leitfähigkeiten (σ) oder schlechte Druckbarkeit zurückzuführen. (SbBi)2Te3-basierte n- und p-Typ-Materialien zeigen zwar eine gute TE-Leistung bei Raumtemperatur, aber schlechte Druckbarkeit und Flexibilität. Darüber hinaus schränkt ein Anstieg des Widerstandes während der Tintenverarbeitung ihre Verwendung in Drucktechnologien ein. Daher ist es wünschenswert, umweltstabile, hocheffiziente anorganische TE-Materialien mit guter Druckbarkeit, hohem Leistungsfaktor (S2σ) und niedriger Wärmeleitfähigkeit (κ) zu geringen Kosten herstellen zu können. Darüber hinaus sollten n- und p-Typ gedruckte Materialien mit ähnlichen Leistungen zur Verfügung stehen, um einen effizienten gedruckten thermoelektrischen Generator (TEG) herstellen zu können.

Es wurde eine neue Strategie zur Herstellung eines flexiblen gedruckten thermoelektrischen Materials entwickelt, welches ein anorganisches Bindemittel (Mischung aus Cu-, Se- und S-Pulver) enthält, das die Körner von TE-Materialien mit nicht-stöchiometrischem β-Cu₂-δSe überbrückt. Das Material kann durch ein einfaches Druck-Sinter-Verfahren verarbeitet werden. Im Gegensatz zu konventionellen gedruckten Filmen auf Basis anorganischer Pulver, die Korngrenzen enthalten, wurde hier die Unterbrechung des Ladungsträgertransports an den Korngrenzen durch das anorganische Bindemittel minimiert, was zu einer hohen vorteilhaften elektrischen Leitfähigkeit σ und damit zu einer hohen TE-Leistung führt. Darüber hinaus kann dieses neuartige thermoelektrische p-Typ-Material mit unserem kürzlich entwickelten n-Typ-Material auf Basis von Ag-Se (unsere Ref. 19/067TLB) zu nochmals leistungsfähigeren TEGs kombiniert werden.

Zudem hat die Millisekunden-Photohärtungstechnologie das herkömmliche Vakuumsintern ersetzt, um gedruckte p- und n-Typ-Filme auf flexiblen Substraten zu sintern, die ein anorganisches Bindemittel auf Cu-Se-Basis enthalten. Dadurch wird eine verbesserte mechanische Flexibilität mit hoher Leistungsfähigkeit der gedruckten Filme erreicht. Folglich werden a) Druckbarkeit, b) hohe TE-Leistung und c) mechanische Flexibilität in einem Paar von p- und n-Typ gedruckten Filmen erreicht.

• Neuartiges universelles anorganisches p-Typ-Bindemittel auf Cu₂Se-Basis zur Herstellung druckbarer 2D/3D-TE-Tinten
• Flexibel/biegbar
• Umweltverträglich
• Schnelle Verarbeitung
• Hohe Leistungsdichte/hohe TE-Leistung
• Sinterverfahren bei moderater Temperatur nach dem Druck
• Kostengünstige Herstellung von druckbaren flexiblen TEG mit hoher Leistungsdichte
• liefern ausreichend Energie für drahtlose energieautarke Sensoren und Aktoren

Druckbare, flexible thermoelektrische (TE) Materialien, insbesondere für großflächige Anwendungen und vor allem für die Abwärmerückgewinnung. Sie können in nicht-flache Oberflächen verschiedener mikroskopischer und komplexer elektronischer oder mechanischer Systeme integriert werden. Die druckbaren TEGs liefern genügend Energie für drahtlose energieautonome Sensoren und Aktoren.