Synthese und Strukturierung von Chalkogenid-basierten Thermoelektrika

Abstract

Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurden drei potentielle chalkogenid basierte thermoelektrische Materialsysteme bezüglich ihrer strukturellen als auch thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Dabei lag das Augenmerk auf Materialien, welche aus gut verfügbaren und nicht toxischen Elementen bestehen, da diese für eine kommerzielle und breite Anwendung für die Wärmerückgewinnung mittels Thermoelektrika notwendig ist. Darüber hinaus muss auf die thermoelektrische Effizienz geachtet werde, welche durch die Gütezahl zT gegeben ist. Für eine hohe Effizienz müssen Thermoelektrika eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen ebenfalls hohen Seebeck-Koeffizienten aber zugleich eine niedrige thermische Leitfähigkeit besitzen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die strukturellen und thermoelektrischen Eigenschaften von AgxTiS2 untersucht. Die strukturelle Charakterisierung zeigt einen erfolgreichen Silbereinbau bis zu einem Gehalt von x = 0,4 und ein Löslichkeitslimit bei x = 0,42. Die thermoelektrische Gütezahl zeigt aufgrund der deutlichen Abnahme des Seebeck-Koeffizienten und der Zunahme der thermischen Leitfähigkeit keine Verbesserung. Allerdings konnte gezeigt werden, dass aufgrund der Vorzugsorientierung bei diesem Materialsystem die richtungsabhängige Messung von größter Wichtigkeit ist. Die Proben der AgBi1-xSbxSe2 Reihe zeigen einen erfolgreichen Einbau von Sb3+ auf beide Bi3+- Positionen trotz des strukturellen Unterschiedes bei Raumtemperatur. Es konnte ein erfolgreicher Einbau von Sb3+ bis zu einem Gehalt von x = 0,15 erreicht werden. Durch den Einbau von Antimon konnte die zweite Phasenumwandlungstemperatur um 40 K reduziert werden. Die thermoelektrischen Eigenschaften zeigen einen Wechsel der Ladungsträger von Elektronen zu Löchern hin, welcher vermutlich durch intrinsische Defekte im Material hervorgerufen werden. Zuletzt wurde die feste Lösung von CuSbS2-xSx strukturell und auf ihre thermische Leitfähigkeit hin charakterisiert, da dieses Materialsystem bislang nur wenig in der Literatur beschrieben wurde. Die strukturelle Charakterisierung beweist einen erfolgreichen Einbau von Selen in die Struktur, jedoch in Anwesenheit einer Nebenphase. Des Weiteren nehmen die Gitterparameter und Polyedervolumen mit steigendem Selengehalt linear zu. Aufgrund der großen Bandlücke und des dadurch hohen elektrischen Widerstandes der Proben konnte hier nur die thermische Leitfähigkeit der Proben gemessen werden. Within the scope of the presented study, three potential chalcogenide-based thermoelectric material systems were investigated regarding their structural as well as thermoelectric properties. The focus was on materials that consist of available and non-toxic elements, as this is necessary for a broad commercial application in heat energy recovering by thermoelectrics. To achieve this, attention must be paid to the thermoelectric efficiency, which is given by the figure of merit zT. For high efficiency, thermoelectrics must have a high electrical conductivity as well as a high Seebeck coefficient, but at the same time a low thermal conductivity.Within this work the structural and thermoelectric properties of AgxTiS2 were investigated. The structural characterization shows a successful silver incorporation up to a content of x = 0.4 and a solubility limit at x = 0.42. The thermoelectric figure of merit shows no improvement due to the significant decrease of the Seebeck coefficient and the increase of the thermal conductivity with increasing silver concentration. However, it could be shown that a directional measurement is of the utmost importance due to the preferential orientation of this material system.Samples of the AgBi1-xSbxSe2 series show a successful incorporation of Sb3+ on both crystallographically different Bi3+ sites despite the structural difference at room temperature. It was possible to achieve a successful incorporation of Sb3+ up to a content of x = 0.15. The incorporation of antimony reduced the second phase transition temperature by 40 K. The thermoelectric properties show a change in charge carriers from electrons to holes, which are probably caused by intrinsic defects in the material.In the end, the solid solution of CuSbS2-xSex was characterized structurally and on its thermal conductivity, since this material system has so far been little investigated in the literature. The structural characterization demonstrates successful incorporation of selenium into the structure, but in the presence of minor phase. Furthermore, the lattice parameters and the volume of polyhedra increase linearly with increasing selenium content. Due to the large band gap and the resulting high electrical resistance of the synthesized samples, only the thermal conductivity could be investigated.