Metall wird thermoelektrisch dank Elektronenstau

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 30.06.2025

Positive und negative Ladungsträger bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit – wie Autos auf der Autobahn, wenn auf einer Spur ein Stau herrscht. [Bild: TU Wien]

Seebeck-Effekt

Lange bevor wir die Nutzung von Elektrizität zum Heizen von Dingen erforschten, also die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, zeigte Thomas Seebeck [1770-1831], dass auch das Gegenteil möglich ist: Dank bestimmter Materialien, der sogenannten Thermoelektrika , ist es möglich, Wärme direkt in Elektrizität umzuwandeln, ohne Generatoren, Turbinen oder andere mechanische Geräte.

Während die erste Option jedoch überall zu finden ist – von Elektroherden und Duschen bis hin zu großen Industriekesseln –, ist der sogenannte Seebeck-Effekt aufgrund der geringen Effizienz der verfügbaren thermoelektrischen Materialien noch weitgehend unerforscht.

Nun haben Fabian Garmroudi und Kollegen an der Technischen Universität Wien in Österreich einen Trick entdeckt, mit dem sie die Leistungsfähigkeit von Thermoelektrika deutlich steigern konnten: Sie verwendeten Metalle anstelle herkömmlicher Halbleiter.

Der Seebeck-Effekt beruht darauf, dass die Beweglichkeit positiver (Löcher) und negativer (Elektronen) Ladungsträger sowohl vom Material als auch von der Temperatur abhängt, bei der sich das Material befindet. „Nehmen wir an, wir haben einen Halbleiter, in dem sich ausschließlich negative elektrische Ladungen bewegen können“, erklärt Professor Andrej Pustogow. „Anfangs sind sie gleichmäßig im Material verteilt, das überall elektrisch neutral ist. Wird jedoch eine Seite erwärmt und die andere abgekühlt, bewegen sich die negativen Ladungsträger auf der heißen Seite schneller und weiter, sodass dort weniger negative Ladung vorhanden ist als auf der kalten Seite.“

Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz, aus der elektrische Energie gewonnen werden kann.

Die Beweglichkeit von Ladungsträgern hängt von Temperatur und Material ab. [Bild: Fabian Garmroudi et al. - 10.1103/PhysRevX.15.021054]

Metallisches Thermoelektrikum

In den meisten metallischen Werkstoffen können sich sowohl positive als auch negative Ladungsträger bewegen. Das bedeutet, dass beide Arten mobiler Ladungsträger eher auf der kalten als auf der heißen Seite zu finden sind. „Positive und negative Ladungsträger gleichen sich aus, sodass auf diese Weise keine Spannung entsteht“, sagte Pustogow. „Deshalb wurden metallische Werkstoffe im Zusammenhang mit dem thermoelektrischen Effekt bisher selten berücksichtigt.“

Nun gelang es dem Team jedoch zu zeigen, dass Metalle tatsächlich hervorragende Thermoelektrika sein können. Der entscheidende Trick besteht darin, dafür zu sorgen, dass sich die positiven und negativen Ladungsträger mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen.

„Man kann sich die Bewegung der Ladungen wie auf einer Autobahn vorstellen“, erklärt Pustogow. „Positive Ladungen fließen auf der linken Spur, negative Ladungen auf der rechten. Wenn sich auf der linken Spur ein Stau bildet, bleiben die positiven Ladungen hängen, während die negativen Ladungen auf der rechten Spur frei fließen.“ Auf diese Weise lassen sich hervorragende Thermoelektrika erzeugen, obwohl sowohl positive als auch negative Ladungsträger vorhanden sind.

Das Team arbeitete mit Legierungen aus Nickel, Indium und Zinn. Der Elektronen-Flaschenhals entsteht durch den Einbau zusätzlicher unbeweglicher Ladungsträger in das Material. Dass dies mit bestimmten Nickel-Gold-Legierungen funktioniert, konnten sie bereits 2023 nachweisen. „Nun haben wir mit einer Nickel-Indium-Verbindung eine deutlich günstigere, goldfreie Alternative gefunden“, sagt Fabian Garmroudi, der das neue Material identifiziert hat.

In einem Kagome-Gitter werden Ladungsträger durch quantenmechanische Effekte immobilisiert und dienen so zur Optimierung der thermoelektrischen Leistung. [Bild: TU Wien]

Gold wert – aber es ist kein Gold

Auf der Suche nach günstigeren Alternativen zu Gold stießen Forscher auf sogenannte Kagome-Metalle. Der Begriff „Kagome“ stammt ursprünglich aus dem Japanischen und bezeichnet geflochtene Bambuskörbe mit einem speziellen Muster aus Sechsecken und Dreiecken, die an den Rändern zusammentreffen.

„Überraschenderweise gibt es in der Natur Materialien, in denen sich Atome genau in diesem Muster anordnen. Wir nennen das ‚ geometrische Frustration ‘. So stellt sich beispielsweise heraus, dass elektrische Ladungen im Inneren des Kagome-Sterns extrem unbeweglich werden und gefangen bleiben können“, erklärt Garmroudi.

Die Forscher konnten zeigen, dass diese Kagome-Geometrie zu einem extrem hohen Seebeck-Effekt führt, der deutlich höher ist als bei bisher verwendeten Nickel-Gold-Legierungen. Während negative Ladungen in einem Kagome-Metall frei fließen, ermöglicht die Ansammlung positiver Ladungen bei Raumtemperatur eine extrem hohe Effizienz: Die neuen Thermoelektrika übertreffen sogar kommerziell erhältliche Bismuttellurid-Halbleiter-Thermoelektrika.

„Mit diesen Kagome-Metallen haben wir Gold gefunden und verbessern nun systematisch ihre thermoelektrischen Eigenschaften mit unserem Fachwissen zur Feinabstimmung der geometrischen Frustration“, verkündete Pustogow, dessen Team sich seit Jahren mit frustrierten Materialien beschäftigt und beispielsweise bereits entdeckt hat, dass sich Magnetismus aktiv durch Druck steuern lässt .

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