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Hintergrund
Durch die Möglichkeit, thermoelektrische (TE) Materialien zu drucken, können die spezifischen Anwendungen im Bereich der Abwärmenutzung erweitert werden. Eine große Herausforderung ist dabei die Herstellung von gedruckten TE-Schenkeln mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ( ) und gleichzeitig hohem Leistungsfaktor.

Zielsetzung
>> Entwicklung eines Druckverfahrens für selbsttragende Chalkogenidschichten sowie die Steigerung der thermoelektrischen Transporteigenschaften

Methoden
>> Verwendung der Rakeldrucktechnik als Basis mit einer selbst entwickelten kolloidalen Dispersionsdruckfarbe durch einen Nassmahlprozess unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels und einen abschließenden Sinterschritt zur Verdichtung

Ergebnisse
TE-Beine wurden als Mikroschichten (50 x 50 x 0,13 mm³) auf Basis einer kolloidalen Tinte (aus Sb₂Te₃) gedruckt. Ein Leistungsfaktor von bis zu 2097 µW/mK² wurde durch 4-Punkt- und Seebeck-Spannungsmessungen ermittelt. Hot-Disk-Messungen zeigen eine drastische Reduktion von _layer = 0,05 W/mK (durch Implementierung des Phononenstreuungsmechanismus) im Vergleich zum _bulk sowie zu den Vorhersagen aus unseren eigenen DFT-Simulationen. Rietveld-Analysen belegen Sb₂O₃-Gehalte, die direkt auf das organische Lösungsmittel in der Druckfarbe zurückzuführen sind und durch EDS- sowie REM-Messungen qualitativ als kristalline Einschlüsse bestätigt werden konnten. Auch TEM-Aufnahmen zeigen die Verkapselung der gebildeten Nanostrukturen.

Schlussfolgerungen
Im Vergleich zu anderen neueren Drucktechniken in der Thermoelektrik zeigte das Rakeln eine Erhöhung des Leistungsfaktors um bis zu 65 % im Vergleich zum Siebdruck und eine bis zu 17-fache Erhöhung des Leistungsfaktors im Vergleich zum Dispenserdruck.

Originalität
Die Forschungsergebnisse ermöglichen einen neuen Ansatz zur Realisierung von thermoelektrischen Generatoren auf der Basis von gedruckten Materialien zur Abwärmerückgewinnung.

Schlüsselwörter
Druck, Rakel, Thermoelektrik, Leistungsfaktor, Abwärmenutzung