Thermoelektrika: Neue Einblicke ins Rekordmaterial Zinnselenid

Bei den Thermoelektrika könnte Zinnselenid die bisherigen Rekordhalter aus Wismuttellurid an Effizienz deutlich übertreffen. Allerdings ist der thermoelektrische Effekt in Zinnselenid nur bei Temperaturen oberhalb von 500 Grad so enorm. Nun zeigen Messungen an den Synchrotronquellen BESSY II und PETRA IV, dass sich Zinnselenid auch bei Raumtemperatur als Thermoelektrikum nutzen lässt – sofern man hohen Druck anlegt.

In bestimmten Materialkombinationen erzeugt ein Temperaturunterschied einen elektrischen Strom. Wird ein Ende der Probe erhitzt, beispielsweise durch Abwärme aus einem Verbrennungsmotor, dann kann ein Teil dieser sonst verlorenen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Allerdings ist dieser thermoelektrische Effekt in den meisten Materialien extrem klein. Denn für einen großen thermoelektrischen Effekt muss die Wärmeleitung schlecht sein, die elektrische Leitfähigkeit dagegen hoch. Fast immer hängen Wärmeleitung und elektrische Leitfähigkeit jedoch eng zusammen.

Deshalb setzt man bei der Suche nach thermoelektrischen Elementen auf Verbindungen mit speziellen kristallinen Strukturen wie Wismuttellurid. Wismuttellurit zählt zu den besten bisher bekannten Thermoelektrika. Allerdings zählen sowohl Wismut als auch Tellur zu den seltenen Elementen, was der massenhaften Verwendung Grenzen setzt. Die Suche nach geeigneten Thermoelektrika aus reichlich vorhandenen ungiftigen Elementen geht also weiter.

Vor sechs Jahren entdeckte ein Forschungsteam aus den USA, dass Zinnselenid oberhalb von 500 Grad Celsius etwa zwanzig Prozent der Wärme in elektrische Energie umwandeln kann. Dieser Wert ist enorm und übersteigt den Wert von Wismuttellurid deutlich. Außerdem sind Zinn und Selen ausreichend verfügbar.

Verantwortlich für diesen sehr großen thermoelektrischen Effekt ist ein struktureller Phasenübergang. Zinnselenid ist aus Schichten aufgebaut. Oberhalb von 500 Grad Celsius beginnen sich die Schichten gegeneinander neu anzuordnen. Dabei nimmt die Wärmeleitung in einer Richtung ab, während die Ladungsträger beweglich bleiben. In dieser Richtung wird der thermoelektrische Effekt in Zinnselenid bisher von keinem anderen Material übertroffen.

Jetzt hat ein internationales Team um Ulrich Schade am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie mit Hilfe von Infrarotspektroskopie an BESSY II und mit harter Röntgenstrahlung an PETRA IV Proben aus Zinnselenid durchleuchtet. Die Messungen zeigen, dass die gewünschte Kristallstruktur entweder durch hohe Temperaturen bei Normaldruck oder durch hohen Druck oberhalb von zehn Gigapascal bei Raumtemperatur erzeugt werden kann. Außerdem verändern sich in der Hochtemperatur-Struktur die elektronischen Eigenschaften der Probe von halbleitend zu halbmetallisch. Das passt zu den Bandstrukturberechnungen.

„Wir können mit unseren Ergebnissen über einen weiten Temperatur- und Druckbereich erklären, warum Zinnselenid so ein herausragendes Thermoelektrikum ist“, sagt Schade. Bis aber Thermoelektrika auf Basis von Zinnselenid auf den Markt kommen, sind weitere Schritte nötig, zum Beispiel, um die Langzeitstabilität zu verbessern. Dann aber könnte Zinnselenid eine preisgünstige Alternative zu Wismuttellurid werden.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  I. Efthimiopoulos et al.: Effects of temperature and pressure on the optical and vibrational properties of thermoelectric SnSe, Phys. Chem.  Chem. Phys. 21, 8663 (2019); DOI: 10.1039/C9CP00897G
• Institute of Methods for Material Development, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH