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Aus Abwärme Strom machen
Silizium in Form von Photovoltaikzellen kann gut Strom aus Sonnenlicht erzeugen. Neue Forschungen zeigen, dass es auch ein gutes Thermoelektrikum sein könnte: ein Material, das Wärme in Strom umwandelt und umgekehrt. Da Silizium häufiger als die führenden thermoelektrischen Materialien vorkommt und eine riesige Fertigungsinfrastruktur dahintersteckt, könnten schließlich billige Geräte zur Stromerzeugung aus der Abwärme von Motoren oder aus Sonnenwärme entstehen.
Cooler Kunde: Dieses mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Bild zeigt einen rauen Silizium-Nanodraht, der zwei Heizkissen überbrückt – eines dient als Wärmequelle und das andere als Sensor. Forscher haben herausgefunden, dass 50 Nanometer breite Silizium-Nanodrähte eine drastisch niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Bulk-Silizium aufweisen, aber ihre elektrische Leitfähigkeit beibehalten. Daher zeigen die Nanodrähte Potenzial als thermoelektrische Materialien – solche, die Wärme in Strom umwandeln und umgekehrt.
In dieser Woche Natur , University of California, Berkeley, Chemieprofessor Peidong Yang und seine Kollegen berichten, dass sie Silizium-Nanodrähte hergestellt haben, die Elektrizität erzeugen, wenn eine Temperaturdifferenz an ihnen angelegt wird. Bislang galt Silizium als schlechtes thermoelektrisches Material. Aber laut Yang ist die Leistung der Nanodrähte bereits mit dem besten existierenden thermoelektrischen Material vergleichbar.
Thermoelektrische Geräte gibt es seit den frühen 1960er Jahren, die normalerweise entweder aus Bismuttellurid oder Bleitellurid hergestellt werden. Sie dienen hauptsächlich der Kühlung: Wird an ein thermoelektrisches Material eine Spannung angelegt, wird es auf der einen Seite heißer und auf der anderen kühler. Thermoelektrische Kühlboxen werden häufig in tragbaren Picknickkühlern und zum Kühlen von Autositzen verwendet.
Aber spannendere Anwendungen liegen in der Energieeffizienz und Energieerzeugung. Thermoelektrik könnte genutzt werden, um die Abwärme von Automotoren in Strom umzuwandeln. Noch attraktiver ist die Idee, die Wärme der Sonne durch Thermoelektrik zur Stromerzeugung zu nutzen. Wismuttellurid und Bleitellurid sind jedoch nicht effizient genug, sodass daraus hergestellte Geräte teuer und sperrig sind, da sie mehr Material benötigen.
Thermoelektrik müsste mindestens doppelt so effizient sein wie heute, um kostengünstig Strom zu erzeugen, sagt Mildred Dresselhaus , ein Pionier der Thermoelektrik und Professor für Physik und Elektrotechnik am MIT. Die Verwendung nanoskaliger Strukturen anstelle von Volumenkristallen der Materialien kann deren Effizienz erhöhen, sagt sie. Nanostrukturen blockieren den Wärmefluss, lassen aber Elektronen leicht fließen. Doch die Verarbeitung und Nanostrukturierung von Wismuttellurid ist nicht einfach.
Silizium hingegen sei viel einfacher zu verarbeiten, habe eine große Verarbeitungsinfrastruktur dahinter, sagt Yang. Silizium hat auch viel geringere Kosten als Wismuttellurid. Das Problem mit Silizium ist, dass es ein schlechtes Thermoelektrikum ist. Ein guter Thermoelektriker muss zwei Dinge haben: ein guter elektrischer Leiter und ein schlechter Wärmeleiter. Silizium leitet sowohl Wärme als auch Strom sehr gut.
Yang und seine Kollegen reduzierten die Wärmeleitfähigkeit von Silizium durch den Einsatz von Silizium-Nanodrähten. Sie stellten eine Reihe von Silizium-Nanodrähten her, die einen Durchmesser zwischen 20 und 300 Nanometern haben. Bei der Nanodrahtsynthese wird häufig ein Nanopartikel verflüssigt und zum Wachsen gebracht, ähnlich wie bei einem Haar. Aber das produziert Nanodrähte mit glatten Oberflächen. Die chemische Ätzmethode, die Yangs Team verwendet, führt stattdessen zu Nanodrähten mit rauen Oberflächen. Die Forscher fanden heraus, dass Drähte mit einer Breite von etwa 50 Nanometern die elektrische Leitfähigkeit behalten, aber nur ein Hundertstel der Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dies führt zu einem thermoelektrischen Wirkungsgrad nahe dem einiger kommerzieller Wismuttellurid-Materialien.
Keine aktuelle Theorie erklärt, warum die Wärmeleitfähigkeit der Nanodrähte so drastisch sinkt. Einer der Gründe, so Yang, ist, dass die fast eindimensionalen Nanodrähte und die rauen Kanten der Drähte den Fluss von Phononen blockieren, bei denen es sich um Partikel handelt, die Wärme transportieren. Aber das Gesamtbild bleibt unklar.
Ali Shakouri , ein Professor für Elektrotechnik an der University of California in Santa Cruz, sagt, dass die Forscher verstehen müssen, wie die Physik funktioniert, bevor sie die Technologie ausreichend verbessern können, um kommerzielle Geräte herzustellen. Darüber hinaus hat die Verwendung von Nanodrähten zur Energieumwandlung und Stromerzeugung ihre eigenen Grenzen, sagt Shakouri. Solche Anwendungen erfordern große Arrays von Nanodrähten, aber in der Natur In einer Studie maßen Yang und seine Kollegen die elektrischen Eigenschaften einzelner Nanodrähte. Die Forscher müssen sicherstellen, dass sich diese Eigenschaften auf ganze Nanodraht-Arrays übertragen lassen, sagt Shakouri: Variationen und Wechselwirkungen zwischen Nanodrähten könnten einige Vorteile zunichte machen.
Dennoch, sagt er, ist dies eine wichtige Arbeit, die eine große Wirkung haben könnte. Shakouri weist nicht nur auf die Demonstration des Potenzials von Silizium als Thermoelektrikum hin, sondern auch auf die einzigartige Technik, mit der die Forscher raue Nanodrähte hergestellt haben. Das neue Spiel mit Materialeigenschaften sei sehr interessant, sagt er. Es könnte einen Weg eröffnen, die Thermoelektrik zu verbessern, die auf andere Materialien angewendet werden könnte.
Inzwischen überlegen Yang und seine Kollegen bereits, wie sie die Leistung ihrer Nanodrähte verbessern können. Sie wollen die Nanodrähte verkleinern und ihre Oberflächen rauer machen, als sie es ohnehin schon sind. Das sollte ihre thermoelektrischen Eigenschaften verbessern, sagt Yang. Die Forscher planen auch, ein tatsächliches thermoelektrisches Gerät mit Silizium-Nanodrähten herzustellen und zu testen.