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http://dx.doi.org/10.25673/89300
Titel: | Entwicklung eines dispersionsbasierten Druckverfahrens zur Herstellung von thermoelektrischen Mikroschichten |
Autor(en): | Künzel, Christian |
Gutachter: | Scheffler, Franziska![]() Scheffler, Michael ![]() Sauerhering, Jörg |
Körperschaft: | Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
Erscheinungsdatum: | 2022 |
Umfang: | XII, 146, Seite IX-LXXVII |
Typ: | Hochschulschrift![]() |
Art: | Dissertation |
Tag der Verteidigung: | 2022 |
Sprache: | Deutsch |
URN: | urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-912557 |
Schlagwörter: | Werkstoffe der Elektrotechnik Dispersionsbasiertes Druckverfahren Thermoelektrische Mikroschichten Chalkogeniden |
Zusammenfassung: | Durch die Möglichkeit, thermoelektrische (TE) Materialien zu drucken, können verschiedene
Szenarien der Abwärmenutzung an die unterschiedlichsten Anforderungen angepasst
und das spezifische Anwendungsfeld für thermoelektrische Generatoren (TEG) erweitert
werden. Eine große Herausforderung ist dabei die Herstellung von gedruckten TESchenkeln
mit geringer Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hohem Leistungsfaktor.
Mit der Entwicklung einer Prozessroute, unter Einsatz der (kryogenen) Pulverpräparation
und des sogenannten doctor blading als Druckverfahren und einem abschließenden Sinterschritt,
ist es im Rahmen dieser Arbeit gelungen, TE-Schenkel in Form von gedruckten
Mikroschichten (50 x 50 x 0,13mm3) auf Basis einer kolloidalen Tinte (Suspension)
aus Chalkogeniden herzustellen. Während der Entwicklung der Prozessroute wurden die
Herstellungsparameter schrittweise angepasst um so einen optimalen Prozessierungsbereich
zu bestimmen. Die Parameter waren hierbei (i) Menge des flüssigen Dispersionsmediums,
(ii) Mahldauer und (iii) -temperatur sowie (iv) Sintertemperatur und (v) -dauer.
Die Drucktinte wurde aus einem zweiphasigen Dispersionsgemisch hergestellt. Für die
feste disperse Phase wurden sowohl Antimontellurid (Sb2Te3) als auch Bismuttellurid
(Bi2Te3) verwendet. Als flüssiges Dispersionsmedium wurde Ethylenglykol (C2H4(OH)2)
verwendet. Die erhaltene Suspension wurde unter Nutzung eines Dissolvers in 3 Präparationsstufen
hergestellt. Die erste Stufe diente der Homogenisierung von Dispersionsphase
und -medium, die zweite Stufe der Zerkleinerung der TE-Ausgangspulver (disperse
Phase) und die dritte Stufe der Stabilisierung der kolloidalen Drucktinte. Der anschließende
Druckprozess, basierend auf dem doctor blading, erfolgte unter Verwendung eines
Filmziehrahmens. Abschließender Prozessschritt der Druckschichtenherstellung war das
Sintern der applizierten Dünnfilme unter Stickstoffatmosphäre.
Rheometrische Untersuchungen der entstandenen Suspensionen zeigten, je nach Massenanteil
des flüssigen Dispersionsmediums (C2H4(OH)2), scherverdünnendes bis moderat
scherverdickendes Verhalten. Es wurden Viskositäten im Bereich von 0,04 - 0,26 Pa·s (für
Sb2Te3) und von 0,53 - 0,91 Pa·s (für Bi2Te3) gemessen. Die Untersuchung der mechanischen
Eigenschaften der hergestellten Druckschichten zeigte ein flexibles Verhalten mit
Biegungstiefen von bis zu 4 mm. Rietveld-Analysen belegen zudem Sb2O3-Gehalte oberhalb
der Nachweisgrenze, die direkt auf die Verwendung des flüssigen (organischen) Dispersionsmediums bei der Drucktintenherstellung zurückzuführen sind. Qualitativ konnten
diese Fremdphasen durch Messungen mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie
und Rasterelektronenmikroskopie als kristalline Einschlüsse identifiziert werden. Untersuchungen
mittels Transmissionselektronenmikroskopie zeigen zudem eine Verkapselung der
gebildeten Nanostrukturen und unterstützen die Hypothese des Auftretens von komplement
ären Phononenstreumechanismen innerhalb der Schichten. Weiterführende strukturelle
Analysen zeigten eine Erhöhung der Fremdphasenanteile mit ansteigender Mahldauer,
die einen unmittelbaren Einfluss auf die thermoelektrischen Eigenschaften haben.
Durch 4-Punkt- und Seebeck-Spannungsmessungen wurden Leistungsfaktoren von bis zu
15 μW/cm·K2 (Sb2Te3) und 3,5 μW/cm·K2 (Bi2Te3) ermittelt. Mit Hilfe der entwickelten
Prozessroute konnte darüber hinaus die Wärmeleitfähigkeit der hergestellten Mikroschichten
deutlich beeinflusst werden. Verantwortlich dafür sind verschiedene Phononenstreumechanismen
wie Versetzungen und Korngrenzen, die durch die Prozessierung
verstärkt auftreten. Hot-Disk-Messungen zeigen eine Schicht-Wärmeleitfähigkeit unterhalb
0,1W/m·K und damit eine signifikante Reduktion im Vergleich zur gemessenen
Bulk-Wärmeleitfähigkeit von 1,28W/m·K (für Sb2Te3) und von 0,96W/m·K (für
Bi2Te3). Bei Raumtemperatur und einer Temperaturdifferenz von 20K wurden somit
Werte für die thermoelektrische Güte der Mikroschichten von zT=5±1 (Sb2Te3) und
zT=1,9±0,4 (Bi2Te3) ermittelt. Daraus lässt sich eine theoretische Ausgangsleistung für
ein TE-Schenkelpaar aus den verwendeten Chalkogeniden von 7,3 μW ableiten. The ability of printing thermoelectric (TE) materials allows various waste heat recovery scenarios to be adapted to a wide range of requirements and expands the specific field of application for thermoelectric generators (TEGs). A major challenge in this regard is the fabrication of printed TE legs with low thermal conductivity while maintaining a high power factor. By developing a process route, using (cryogenic) powder preparation and the so-called doctor blading as a printing process with a final sintering step, this work has succeeded in producing TE legs in the form of printed microlayers (50 x 50 x 0,13mm3) based on a colloidal ink (suspension) of chalcogenides. During the development of the process route, the manufacturing parameters were adjusted stepwise to determine an optimal processing range. The parameters here were (i) amount of liquid dispersion medium, (ii) grinding time and (iii) -temperature, and (iv) sintering temperature and (v) -duration. The printing ink was prepared from a two-phase dispersion mixture. For the solid disperse phase, antimony telluride (Sb2Te3) or bismuth telluride (Bi2Te3) were used. Ethylene glycol (C2H4(OH)2) was used as liquid dispersion medium. The obtained suspension was prepared by using a dissolver in 3 prepairing stages. The first stage was used for homogenization of dispersion phase and medium, the second stage was used for grinding of TE starting powders (disperse phase) and the third stage was used for stabilization of colloidal printing ink. The subsequent printing process, based on doctor blading, was carried out by using a film drawing frame. The printing layer production was completed with sintering of the applied thin films under nitrogen atmosphere. Rheometric investigations of the resulting suspensions showed shear-thinning to moderate shear-thickening behavior, depending on the mass fractions of the liquid dispersion medium (C2H4(OH)2). In-depth investigations demonstrated viscosities in the range of 0.04 - 0.26 Pa·s (for Sb2Te3) and 0.53 - 0.91 Pa·s (for Bi2Te3). Investigation of the mechanical properties of the fabricated printed layers exhibited flexible behavior and bending depths up to 4 mm. Rietveld analyses also proved Sb2O3 contents above the detection limit, which can be directly attributed to the use of the liquid (organic) dispersion medium in the printing ink production. Qualitatively, this impurity could be confirmed as crystalline inclusions by measurements using energy dispersive X-ray spectroscopy and scanning electron microscopy. Transmission electron microscope studies also show encapsulation of the formed nanostructures and support the hypothesis of complementary phonon scattering mechanisms within the layers. Further structural analysis indicated an increase in the extraneous phase fractions with increasing milling time, which directly showed an influence on the thermoelectric properties. Power factors of up to 15 μW/cm·K2 (Sb2Te3) and 3.5 μW/cm·K2 (Bi2Te3) were obtained by 4-point and Seebeck voltage measurements. Moreover, by the developed process route, the thermal conductivity of the fabricated microlayers could be significantly affected by various determined phonon scattering mechanisms such as dislocations and grain boundaries. Hot-disk measurements show a film thermal conductivity below 0.1W/m·K, a significant reduction compared to the measured thermal conductivity of the bulk material of 1.28W/m·K (for Sb2Te3) and of 0.96W/m·K (for Bi2Te3). At room temperature and a temperature difference of 20 K, this resulted in values for the thermoelectric figure of merit of the microlayers of zT=5±1 (Sb2Te3) and zT=1.9±0.4 (Bi2Te3) and a theoretical output power for a TE unicouple from the chalcogenides used of 7.3 μW were determined. |
URI: | https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/91255 http://dx.doi.org/10.25673/89300 |
Open-Access: | ![]() |
Nutzungslizenz: | ![]() |
Enthalten in den Sammlungen: | Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
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