Models and Experiments on Measuring Thermoelectric Transport Properties Simultaneously

Thermoelektrische (TE) Materialien können Wärme in elektrische Energie und umgekehrt umwandeln und werden daher zur Energiegewinnung und Festkörperkühlung eingesetzt. Für den effektiven Einsatz von TE Hochleistungsmaterialien ist deren metrologische Charakterisierung eine unabdingbare Voraussetzung.
Ziel der Arbeit ist es, die Standardisierung von Messungen zur Bestimmung der Effizienz von TE Ma-terialien zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden die Bedingungen für gleichzeitige Messungen der drei Transporteigenschaften Seebeck-Koeffizient, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, die die TE Gütezahl bilden, am Beispiel von FeSi2 als TE Material untersucht.
Es wurde ein neuer Messaufbau zur simultanen Messung thermoelektrischer Transporteigenschaften entwickelt, der die grundlegenden Voraussetzungen erfüllt, um simultane Messungen der drei Trans-porteigenschaften unter Verwendung der Ergebnisse von Finite-Elemente-Simulationen durchzuführen. Die erreichbaren Genauigkeiten der Messergebnisse des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen Leit-fähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit wurden im Rahmen dieser Arbeit anhand etablierter Simulations-modelle vorab verifiziert.
SI-rückführbare Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit von acht Pro-ben einer Charge FeSi2 mit dem neuen Messaufbau wurden erfolgreich abgeschlossen und führten zur Bereitstellung eines Referenzmaterials für den thermoelektrischen Leistungsfaktor im Temperaturbe-reich zwischen 25 °C und 725 °C.
Basierend auf der Durchführung umfangreicher Finite-Element-Simulationen wurde die Parallellei-tungsmethode als vielversprechendste Methode zur Messung der Wärmeleitfähigkeit mit dem neuen Messaufbau identifiziert. Darüber hinaus lieferten die Simulationsergebnisse Hinweise darauf, welche Messparameter für die erreichbare Genauigkeit der Messungen besonders kritisch sind. Dies sind bei-spielsweise die mechanische und positionelle Stabilität aller Teile des Messaufbaus und ihres thermi-schen Kontakts mit der Probe. Es ist unbedingt sicherzustellen, dass das zur Berechnung des Wärme-flusses durch die Probe notwendige Messpaar (unbelastetes und belastetes System) unter exakt densel-ben Bedingungen wie Gasdruck und Probenposition realisiert wird.
Praktische Messungen an Proben eines bekannten Referenzmaterials für die Wärmeleitfähigkeit bestä-tigten die Eignung der auf den Simulationsergebnissen basierenden Modifikationen des Messaufbaus und seine allgemeine Eignung zur Durchführung von Wärmeleitfähigkeitsmessungen. Allerdings sind weitere Verbesserungen des Messaufbaus erforderlich, um gleichzeitige Messungen der drei Trans-porteigenschaften über einen weiten Temperaturbereich als Voraussetzung für die Entwicklung eines Referenzmaterials für die TE Gütezahl zu ermöglichen.