DE10035840B4 - Thermoelektrisches Halbleiterbauelement - Google Patents

Abstract

Thermoelektrisches Halbleiterbauelement mit zwei Versorgungsanschlüssen zur Erzeugung oder Ausnutzung eines Temperaturgradienten auf der Basis thermoelektrischer Effekte mit einer Materialkonfigurierung kristallin strukturierter Verbindungshalbleiter unter dem Gesichtspunkt einer optimierten Wärmeleitfähigkeit in Richtung des Temperaturgradienten, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Verbindungshalbleiter (SC) aufgrund von im Kristallgitter charakteristisch positionierten Atomen in Lagen polarer Symmetrie eine maximal dreichachsig polare Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit (λ_L) mit ausgeprägt kleinen Werten entlang der auftretenden unabhängigen, polaren Achsen aufweisen und derart im Halbleiterbauelement (SCE) orientiert angeordnet sind, dass eine von den maximal drei polaren Achsen (PA) entlang des zu erzeugenden Temperaturgradienten (∇T) ausgerichtet ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein thermoelektrisches Halbleiterbauelement mit zwei Versorgungsanschlüssen zur Erzeugung oder Ausnutzung eines Temperaturgradienten auf der Basis thermoelektrischer Effekte mit einer Materialkonfigurierung kristallin strukturierter Verbindungshalbleiter unter dem Gesichtspunkt einer optimierten phononischen und elektronischen Wärmeleitfähigkeit des Kristallgitters in Richtung des Temperaturgradienten.
• In thermoelektrischen Halbleiterbauelementen wird die Trennbarkeit von elektrischem und thermischem Stromfluss in einem Temperaturgradienten ausgenutzt. Zu den thermoelektrischen Effekten gehören insbesondere der Seebeck-Effekt bezüglich der Umsetzung eines Temperaturgradienten in einen elektrischen Stromfluss (thermoelektrischer Generator) und der dazu inverse Peltier-Effekt bezüglich der Umsetzung eines Spannungsgradienten in einen Wärmefluss zur Erzeugung eines Temperaturgradienten (Kühl- oder Heizelement). Die genannten Vorrichtungen werden im Folgenden vereinfacht mit „Peltier-Element" bezeichnet.
• Die Effektivität von Halbleitermaterialien für den Einsatz in Peltier-Elementen wird allgemein durch den temperaturabhängigen Güteparameter Z („Effektivitätskennzahl") erfasst, der proportional vom Quadrat des Seebeck-Koeffizienten S und dem Quotienten aus der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit σ und der spezifischen thermischen Leitfähigkeit λ abhängig ist. Es gilt: Z = S2σ/λ.
• Neben einer möglichst hohen elektrischen Leitfähigkeit σ ist aufgrund dieses Zusammenhanges bei der Materialkonfiguration eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit λ anzustreben.
• Die Wärmeleitfähigkeit λ wird als Summe aus der Wärmeleitfähigkeit des Kristallgitters (phononische Wärmeleitfähigkeit λ_L mit L = Lattice) und der Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Ladungsträger (elektronische Wärmeleitfähigkeit λ_e) dargestellt. ES gilt: λ = λL + λe.
• Die anzustrebende Verringerung der Wärmeleitfähigkeit λ kann praktisch nur über eine Verringerung der phononischen Wärmeleitfähigkeit λ_L umgesetzt werden.
• Als geeignete Materialien für Peltier-Elemente haben sich vor allem Verbindungshalbleiter erwiesen, deren atomare Konstituenten schwere Elemente sind. Bei derartigen Halbleitern, z.B. Bi₂Te₃, ist die Wärmeleitfähigkeit λ_L des Kristallgitters vergleichsweise gering. Eine weitere Verringerung der Wärmeleitung λ_L durch das Gitter kann dadurch bewirkt werden, dass Mischverbindungen, beispielsweise Bi₂(Te,Se)₃, eingesetzt werden. Die elektronische Leitfähigkeit λ_e bei der entsprechenden Arbeitstemperatur liegt vorteilhafterweise im Bereich der beginnenden Entartung des Halbleiters. Bei Berücksichtigung der genannten technischen Regeln lassen sich Materialien für thermoelektrische Halbleiterbauelemente konfigurieren, deren ZT-Werte unter oder nahe bei dem Wert „1" liegen. Die Verwendung der Größe „ZT" hat gegenüber dem Güteparameter Z den Vorteil, dass es sich um einen dimensionslosen Parameter handelt. Mit „T" wird dabei die mittlere Temperatur als Mittelwert zwischen den beiden immer auftretenden Gradiententemperaturen bezeichnet, bei der das Peltier-Element arbeitet (vergleiche Encyclopedia of Appl. Phys., Vol 21. (1997) „Thermoelectric Devices", insbesondere Kap. 1.1.3 „Thermal Conductivity"). ZT-Werte im Bereich des Wertes „1" sind aber in Anbetracht der beteiligten Parameter und ihrer Einstellmöglichkeiten nicht als befriedigend anzusehen.
• Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlich konfigurierten Peltier-Elementen bekannt. Genannt seien beispielhaft an dieser Stelle die EP 0924481A1 , die US 5715684 und die DE 4006861A1 . In diesen Druckschriften werden thermoelektrische Halbleiterbauelemente in Form von Peltier-Elementen aus parallel nebeneinander angeordneten n- und p-Halbleitern beschrieben. Der über Versorgungsanschlüsse eingeleitete Strom fließt durch alle n-Halbleiter in eine und durch alle p-Halbleiter in die entgegengesetzte Richtung. In Kombination mit einer Verschaltung der n- und p- Halbleiterelemente in Reihe ergibt sich bei fließendem Strom ein Temperaturgradient, der entweder zur Kühlung oder Erwärmung einer Seite der Peltier-Elemente führt. Auf eine charakteristische Materialkonfigurierung jedes einzelnen n- und p-Halbleiterbauelements wird bei den bekannten Peltier-Elementen kein Bezug genommen. Vielmehr werden hier die Halbleitermaterialien durchgängig in einer regellosen Konfigurierung ohne einen speziell geordneten Aufbau eingesetzt.
• Weiterhin ist es aus der EP 0 821 417 A2 bekannt, die Schenkel von Thermoelementen kristallin aufzubauen, wobei die Hauptachsen der Kristalle parallel zum Temperaturgradienten bzw. zur Stromflussrichtung orientiert werden. Eine ähnliche Lösung enthält die EP 0 996 174 A1 . In der JP 03 187279 A wird weiterhin explizit angegeben, dass die Achse niedriger Wärmedämmung parallel zum Wärmefluss verlaufen sollte. Die Forderung nach einer parallelen Orientierung von Temperaturgradient bzw. Stromrichtung und Kristallachse ergibt sich auch aus der Veröffentlichung von J.R. Madigan „Dependence of the Thermoelectric Figure of Merit on Orientation in Uniaxial Crystals" (J. of Appl. Phys. 33 (1962) 12, pp 3564–3567). Diese genannten vier Druckschriften beziehen sich ausschließlich auf die allgemeine Anisotropie der Eigenschaften der Halbleitermaterialien und weisen darauf hin, dass der Gütefaktor Z eines thermoelektrischen Elements von der Orientierung der kristallographischen Achsen des verwendeten Halbleitermaterials im Bauteil abhängt. Dieses phänomenologische Resultat ist aber tatsächlich schon seit Langem bekannt.
• Von den Hauptachsen eines Kristalls sind jedoch polare Achsen zu unterscheiden. Polare Achsen sind kristallographische Symmetrieachsen, die sich durch keine Symmetrieoperation (Drehung, Spiegelung u.a.) mit sich selbst zur Deckung bringen lassen. Eine polare Achse kann durchaus parallel zu einer kristallographischen Achse orientiert sein. Um eine polare Achse herrscht zwar Rotationssymmetrie, aber die beiden Richtungen der Achse sind nicht gleichwertig. Polare Achsen treten nur in den Kristallgitterklassen auf, die kein Inversionszentrum (Spiegelung an einem Punkt) aufweisen. Damit tritt der thermoelektrische Effekt nur bei Kristallen auf, deren Kristallstruktur kein Symmetriezentrum hat. Jede Stapelebene im Gitter eines Halbleiter-Kristalls besteht aus einer Lage Anionen und Kationen. Dadurch ergeben sich polare Achsen, die zu den thermo-elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials führen. In thermo-elektrischen Kristallen sind damit die Richtungen der elektrischen Polarisation (Einwirken elektrischer Kräfte) durch diese polaren Achsen ausgezeichnet. Dabei geht die polarisierende Wirkung von den Ionen im Kristallgitter aus, die selbst polarisiert werden. Das Anlegen oder Verändern eines elektrischen Feldes bewirkt eine Änderung der Polarisation.
• Vor dem Hintergrund der oben aufgezeigten technischen Regeln bei der Konfigurierung von Materialien für thermoelektrische Halbleiterbauelemente und ausgehend von dem zuvor beschriebenen prinzipiellen Aufbau solcher Bauelemente ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Bauelement der eingangs genannten Art in seiner Materialkonfigurierung so weiterzubilden, dass besonders hohe Güteparameter erreichbar werden. Dabei sollen die Mittel der Weiterbildung einfach und damit einfach herstell- und anwendbar sowie kostengünstig sein.
• Als Lösung für diese Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Halbleiterbauelement mit zwei Versorgungsanschlüssen zur Erzeugung oder Ausnutzung eines Temperaturgradienten auf der Basis thermoelektrischer Effekte mit einer Materialkonfigurierung kristallin strukturierter Verbindungshalbleiter unter dem Gesichtspunkt einer optimierten Wärmeleitfähigkeit in Richtung des Temperaturgradienten deshalb vorgesehen, dass die eingesetzten Verbindungshalbleiter aufgrund von im Kristallgitter charakte ristisch positionierten Atomen in Lagen polarer Symmetrie eine maximal dreichachsig polare Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit mit ausgeprägt kleinen Werten entlang der auftretenden unabhängigen, polaren Achsen aufweisen und derart im Halbleiterbauelement orientiert angeordnet sind, dass eine von den maximal drei polaren Achsen entlang des zu erzeugenden Temperaturgradienten ausgerichtet ist.
• Die Erfindung geht für ihren Lösungsansatz von mehreren Beobachtungen aus:
• • Eine der Strategien für die Erreichung hoher ZT-Werte besteht darin, die phononische Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Halbleitermaterials in Richtung des Temperaturgefälles zu minimieren.
• • In anisotropen Kristallen mit Atomen auf polaren Lagen treten für die verschiedenen Kristallrichtungen verschiedene phononische Wärmeleitfähigkeiten auf, die sich um Größenordnungen unterscheiden können. Dies gilt z.B. für Graphit, das aus übereinander liegenden Schichten aus hexagonal koordinierten C-Atomen aufgebaut ist, und in dem die Gitterwärmeleitfähigkeit parallel zu den Schichten über einen großen Temperaturbereich um den Faktor 20 größer ist als senkrecht dazu (vergleiche J.E. Parrott and A.D: Stuckes, „Thermal Conductivity of Solids", Pion London, 1975).
• • Polare Lagen bzw. Lagen polarer Symmetrie im Sinne der Kristallographie mit unabhängigen polaren Achsen werden nach Schönfließ mit Symmetriesymbolen C₁ (3 polare Achsen), C_S (2 polare Achsen), C_n, C_nv (n = 2,3,4,6; jeweils eine polare Achse) bezeichnet (vergleiche M. Birkholz „Crystal-field induce dipole moments in heteropolar crystals – I. concept", Z. Phys. B 96, 325–332, 1995). Beispielsweise besetzt das Se-Atom im geschichteten Gitter des Verbindungshalbleiters WSe₂ eine polare Lage mit der Punktsymmetrie C₃, wobei die polare Achse senkrecht zu den Se- und W-Schichten, d.h. parallel zur kristallographischen c-Achse orientiert ist.
• Die Materialkonfigurierung in dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Halbleiterbauelement ist im Gegensatz zu den bekannten Konfigurierungen nicht regellos. Der geordnete Aufbau orientiert sich an der Geometrie der Kristallstruktur, aus dem der eingesetzte Halbleiter gebildet wird. Durch die Orientierung der Halbleiterkristallite entlang bestimmter kristallographischer Achsen („polare Achsen") wird bewirkt, dass die Gitter-Wärmeleitung in Richtung der Achsen und damit senkrecht zu den Grenzschichten auf den kleinstmöglichen Wert reduziert wird. Durch diese resultierende Verringerung des starken Einflussfaktors der Wärmeleitfähigkeit sind mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement bei der Realisierung von Kühl- oder Heizelementen bzw. thermischen Generatoren somit ohne Weiteres sehr hohe Güteparameter zu erzielen.
• Die erfindungsgemäß eingesetzten Verbindungshalbleiter weisen durch charakteristische Atompositionen mit polarer Symmetrie eine ausgeprägte Anisotropie ihrer Gitterwärmeleitfähigkeit auf. In Richtung der polaren Achsen ist bei den verwendeten Verbindungshalbleitern die Wärmeleitfähigkeit stark reduziert, da hier Gitterschwingungen aufgrund der anisotropen Kristallpotentiale stark unterdrückt werden. Die Strecken im Kristallgitter entlang der polaren Achsen wirken dann wie eine thermische Isolierung. Ein schwacher Einfluss wird auch auf die elektronische Wärmeleitfähigkeit λ_e als zweitem Anteil der Wärmeleitfähigkeit λ ausgeübt, der aber außer Acht gelassen werden kann. Da bei einigen Verbindungshalbleitern auch eine Vergrößerung der Kristall-Wärmeleitfähigkeit λ_L entlang der polaren Achsen auftreten kann, ist bei der Auswahl der für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement entsprechend sorgfältig vorzugehen. Erforderlichenfalls können getroffene Materialwahlen empirisch überprüft werden.
• Gleiches gilt auch für die Wahl der geeigneten Material-Orientierung im Halbleiterbauelement. Da in den Kristallgittern maximal drei unabhängige polare Achsen mit unterschiedlicher Isolationswirkung auftreten können, ist diejenige mit den für den einzelnen Anwendungsfall günstigsten Isolationseigenschaften im Einzelfall dann empirisch zu ermitteln. Hierbei können sehr wohl auch die polaren Achsen ausgewählt werden, die nicht die minimale phononische Wärmeleitfähigkeit λ_L aufzeigen. Zum Aufbau eines Temperaturgradienten ist es jedoch wichtig, die beiden Punkte unterschiedlicher Temperatur optimal voneinander zu isolieren, um einen Temperaturausgleich zu verhindern und den aufgebauten oder angelegten Temperaturgradienten aufrecht zu erhalten. Je größer die selektive Isolationswirkung in Richtung des Temperaturgradienten ist, desto effektiver arbeitet das entsprechende Bauelement. Deshalb ist es nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist besonders sinnvoll, wenn die orientierte Anordnung der eingesetzten Verbindungshalbleiter entlang derjenigen ausgezeichneten polaren Achse erfolgt, entlang der die geringste Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit λ_L auftritt. Auch hierbei kann die festgelegte Kristallgitterorientierung gegebenenfalls empirisch durch einfache Messungen am Verbindungshalbleiter überprüft werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Wahl der günstigsten polaren Achse ist damit die hohe erreichbare Effektivität des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements erklärbar.
• Nach einer Fortführung der Erfindung ist es daher vorteilhaft, wenn die beiden Energieanschlüsse so am Halbleiterbauelement angeordnet sind, dass der zur Erzeugung oder Ausnutzung des Temperaturgradienten erforderliche elektrische Stromfluss entlang der einen ausgezeichneten polaren Achse erfolgt. Das gilt sowohl für den Fall der Aufprägung eines elektrischen Stroms zur Erzeugung eines Temperaturgradienten als auch für den inversen Fall der Aufprägung eines Temperaturgradienten zur Erzeugung eines elektrischen Stroms. Daneben kann es je nach Anwendungsfall für das Halbleiterbauelement und damit je nach Anforderung an seine speziellen Betriebscharakteristika aber durchaus auch sinnvoll sein, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung die beiden Energieanschlüsse so am Halbleiterbauelement angeordnet sind, dass der zur Erzeugung oder Ausnutzung des Temperaturgradienten erforderliche elektrische Stromfluss in beliebiger Orientierung zu der einen ausgezeichneten polaren Achse erfolgt.
• Um von der Anisotropie der Gitterwärmeleitfähigkeit in Verbindungshalbleitern Gebrauch machen zu können, müssen solche Halbleiter ausgewählt werden, die Atome auf polaren Lagen, das heißt Atompositionen mit polarer Symmetrie aufweisen. Dabei können Materialien mit Atomen auf polaren Lagen sowohl mit nicht-stöchiometrischen als auch mit stöchiometrischen Verhältnissen der Konstituenten zum Einsatz kommen. Außerdem können Mischverbindungen von Halbleitermaterialien mit Atomen auf polaren Lagen zum Einsatz kommen, die dadurch erzeugt werden, dass in dem Maße wie auf eine Komponente verzichtet wird, eine andere dazulegiert wird, z.B. (Mo,W)Se₂. Dabei kann es nach einer anderen Erfindungsausgestaltung vorgesehen sein, dass die eingesetzten Verbindungshalbleiter in reiner oder gemischter Form zu der Gruppe der Übergangsmetall-Dichalkogenide MX₂ gehören mit insbesondere Mo, W oder Sn als Übergangsmetall M und S, Se oder Te als Chalkogenid X. Diese sogenannten „Schichtgitter-Halbleiter", an deren Bildung die Chalkogene X = S, Se und/oder Te beteiligt sein können, kristallisieren in der stark anisotropen CdJ₂-Struktur. Einige dieser Verbindungshalbleiter können gezielt n- und p-dotiert werden, um die elektrische Leitfähigkeit durch Erhöhung der mobilen Ladungsträger zu verbessern (vergleiche M.C.Lux-Steiner „Non - conventionalt Semiconductor Materials for Solar Cells", Polycrystalline Semiconductor II, Springer Proceedings in Physies, Vol. 54,1991,5, 420–431). Diese und auch die weiter oben genannten Materialien können auch andere, beispielsweise für Peltier-Elemente verwendete Materialien zugesetzt werden, z.B. Bi₂Te₃ und WSe₂. Weiterhin kann nach einer nächsten Fortführung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements vorgesehen sein, dass den eingesetzten Verbindungshalbleitern weitere thermoelektrisch aktive Materialien zugemischt sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um Bi₂Te₃ handeln. Durch Zugabe derartiger Materialien kann das Gesamtverhalten des Verbindungshalbleiters noch verbessert werden. Beispielsweise kann ein Material mit einem relativ schlechten Güteparameter, aber mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gemischt werden mit einem Material und einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, sodass ein neues Material entsteht mit einem hohen Güteparameter durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit, aber mit einer geringen Gitter-Wärmeleitfähigkeit.
• Nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann vorgesehen sein, dass mehrere Schichten von Verbindungshalbleitern gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzungen in einem Mehrschichtsystem übereinander gestapelt sind. Durch derartige Mehrschichtsysteme, zu denen sowohl makroskopische als auch mikroskopische Schichtungen aus Halbleitermaterialien mit Atomen auf polaren Lagen zu zählen sind, kann in einfacher Weise eine Verstärkerwirkung für den gewünschten Effekt erzeugt werden. Dabei können nach einer weiteren Erfindungsausgestaltung die Schichten auch als dünne Filme ausgebildet sein, sodass sowohl mikroskopische Schichtungen aus einzelnen Schichtgittern erzielbar, aber auch die gesamten Schichtsysteme sehr dünn gestaltbar sind. Die Schichten können jeweils gleiche Materialzusammensetzung, aber auch unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Dabei können beispielsweise zwei oder mehrere verschiedene Materialzusammensetzungen wiederholt alternierend in das Mehrschichtpaket integriert sein, z.B. MoSe₂-WSe₂-MoSe₂-WSe₂ usw.. Als Alternative zur Schichtenausbildung kann bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Halbleiterbauelement schließlich auch vorgesehen sein, dass kristallpulverförmige Verbindungsleiter gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzungen mit bevorzugten Kristallitorientierungen in einem Sinterverbund angeordnet sind. Die Herstellung von Halbleiterschichten aus Pulver durch Sinterung ist eine einfache und damit aussichtsreiche Methode. Geeignete Verfahren, durch die eine bevorzugte Orientierung von Kristalliten erzeugt werden kann, stehen zur Verfügung.
• Eine Ausbildungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figur näher erläutert. Diese zeigt ein Schichtenpaket aus Halbleitermaterialien zur Realisierung eines Peltierelements.
• Im gewählten Ausführungsbeispiel werden Schichtgitter-Verbindungen in Form von MX₂-Kristallen (Übergangsmetalldichalkogenid) mit dem üblicherweise verwendeten CVT-Verfahren (Chemical Vapour Transport) hergestellt (andere geeignete Materialien SC ohne Schichtgitter-Verbindungen sind ebenfalls einsetzbar). Durch eine geeignete Wahl der Dotierstoffe können Kristalle mit n- und p-Leitung konfiguriert werden. Weiterhin können durch eine geeignete Wahl der Dotierkonzentrationen der Seebeck-Koeffizient S und die elektronische Wärmeleitfähigkeit λ_e beispielsweise für Peltier-Element-Anwendungen optimiert, d.h. der Güterparameter Z bzw. ZT maximiert werden. Dazu sind die Kristallite mit einer polaren Achse PA entlang des zu erzeugenden oder aufrecht zu erhaltenden Temperaturgradienten ∇T zu orientieren, um die entlang der ausgezeichneten polaren Achse PA auftretende minimale phononische Wärmeleitfähigkeit λ_L auszunutzen.
• Die erhaltenen, im gewählten Ausführungsbeispiel hexagonalen Kristalle (in der Figur als Ausschnittsvergrößerung dargestellt) sind flache Scheiben mit typischerweise seitlichen Abmessungen von Millimetern und Dicken von Mikrometern, wobei hier eine einzelne polare Achse PA der Chalkogenatome X senkrecht zu den Gitterflächen orientiert ist. In Richtung der polaren Achse weist die Gitterwärmeleitfähigkeit λ_L deutlich kleinere Werte auf als in der dazu senkrechten Richtung. Die scheibenförmigen Kristalle sind auf Dicken von ungefähr 5 mm aufgestapelt und zwischen dicken Kupferblechen Cu angeordnet, wobei p- und n-Typ-Kristalle alternierend elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind. Die dazwischen liegenden Hohlräume dienen der elektrischen und thermischen Isolierung. Durch einen Einsatz geeigneter Verbindungsstrukturen – wie beim heutigen Stand der Technik von Peltier-Elementen üblich – ergibt sich ein Halbleiterbauelement SCE, das für Kühl- oder Heizzwecke sowie zur Stromerzeugung einsetzbar ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel fließt der elektrische Strom, der über zwei Versorgungsanschlüsse (EMK – Elektromotorische Kraft) ein- bzw. ausgeleitet wird, ebenso wie thermische Strom in den Halbleiterstapeln in Richtung der polaren Achse PA der X-Atome in Richtung des zu erzeugenden Temperaturgradienten ∇T.

Cu

Kupferblech

EMK

Elektromotorische Kraft

M

Übergangsmetall

PA

polare Achse

X

Chalkogen

SC

Verbindungshalbleiter

SCE

Halbleiterbauelement

S

Seebeck-Koeffizient

∇T

Temperaturgradient

Z/ZT

Güteparameter

λ

spezifische thermische Leitfähigkeit

λ_e

elektronische Wärmeleitfähigkeit

λ_L

phononische Wärmeleitfähigkeit (Gitter-Wärmeleitfähigkeit)

σ

spezifische elektrische Leitfähigkeit

Claims (9)

1. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement mit zwei Versorgungsanschlüssen zur Erzeugung oder Ausnutzung eines Temperaturgradienten auf der Basis thermoelektrischer Effekte mit einer Materialkonfigurierung kristallin strukturierter Verbindungshalbleiter unter dem Gesichtspunkt einer optimierten Wärmeleitfähigkeit in Richtung des Temperaturgradienten, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Verbindungshalbleiter (SC) aufgrund von im Kristallgitter charakteristisch positionierten Atomen in Lagen polarer Symmetrie eine maximal dreichachsig polare Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit (λ_L) mit ausgeprägt kleinen Werten entlang der auftretenden unabhängigen, polaren Achsen aufweisen und derart im Halbleiterbauelement (SCE) orientiert angeordnet sind, dass eine von den maximal drei polaren Achsen (PA) entlang des zu erzeugenden Temperaturgradienten (∇T) ausgerichtet ist.
2. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierte Anordnung der eingesetzten Verbindungshalbleiter (SC) entlang derjenigen ausgezeichneten polaren Achse (PA) erfolgt, entlang der die geringste Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit (λ_L) auftritt.
3. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Energieanschlüsse (EMK) so am Halbleiterbauelement (SCE) angeordnet sind, dass der zur Erzeugung oder Ausnutzung des Temperaturgradienten (∇T) erforderliche elektrische Stromfluss entlang der einen ausgezeichneten polaren Achse (PA) erfolgt.
4. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Energieanschlüsse (EMK) so am Halbleiterbauelement (SC) angeordnet sind, dass der zur Erzeugung oder Ausnutzung des Temperaturgradienten (∇T) erforderliche elektrische Stromfluss in beliebiger Orientierung zu der einen ausgezeichneten polaren Achse (PA) erfolgt.
5. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Verbindungshalbleiter (SC) in reiner oder gemischter Form zu der Gruppe der Übergangsmetall-Dichalkogenide MX₂ gehören mit insbesondere Mo, W oder Sn als Übergangsmetall M und S, Se oder Te als Chalkogenid X.
6. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den eingesetzten Verbindungshalbleitern (SC) weitere thermoelektrisch aktive Materialien zugemischt sind.
7. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten von Verbindungshalbleitern (SC) gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung in einem Mehrschichtsystem übereinander gestapelt sind.
8. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten als dünne Filme ausgebildet sind.
9. Thermoelektrisches Halbleiterbauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass pulverförmige Verbindungsleiter (SC) mit einer bevorzugten Kristallitorientierung entlang einer ausgezeichneten polaren Achse (PA) in einem Sinterverbund angeordnet sind.