DE102006006935A1

DE102006006935A1 - Elektrischer Generator

Info

Publication number: DE102006006935A1
Application number: DE102006006935A
Authority: DE
Original assignee: Roth Klaus Dipl-Phys Drrernat
Current assignee: Roth Klaus Dipl-Phys Drrernat
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-16
Also published as: WO2007093163A1

Abstract

Es wird ein elektrischer Generator vorgeschlagen, der ein Halbleiterelement mit einer durch einen PN-Übergang erzeugten Raumladungszone umfasst, wobei das Halbleiterelement eine durch thermische Elektronenanregung überwindbare Bandlücke aufweist, der lichtunabhängig arbeiten kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Vielzahl derartiger Raumladungszonen vorgesehen ist, die hintereinander und/oder parallel geschaltet angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Stromerzeugung sind photovoltaische Elemente vielfach in Gebrauch. Photovoltaikelemente sind Halbleiterelemente mit PN-Übergängen, sodass sich eine Raumladungszone bzw. ein sogenanntes intrinsisches elektrisches Feld durch die Ladungsverteilung im Energieband der Valenzelektronen ergibt.

Bei einer Anregung durch Photoabsorptionen gelangen Elektronen aus dem Valenzband in ein darüberliegendes Leitungsband, wo sie frei beweglich sind. Durch das intrinsische E-Feld ergibt sich für derart angeregte Elektronen eine elektromotorische Kraft, sodass eine elektrische Spannungsquelle zur Verfügung steht. Voraussetzung für die Funktionsweise eines solchen Photovoltaischen Elementes ist das Eintreffen der Photonen in der Raumladungszone, wodurch sich der flache Aufbau photovoltaischer Elemente ergibt.

Weiterhin sind im Bereich der Detektoren Thermosensoren bekannt, die die thermische Anregung von Elektronen in einer solchen Raumladungszone ausnutzen. Bei Wärmebildkameras sind derartige Thermosensoren als Bildpunkte bzw. Pixel angeordnet. Die Elektronen werden durch einfallende Infrarotstrahlung angeregt und erzeugen entsprechend dem oben angegebenen photovoltaischen Prinzip ein Spannungssignal, das nach entsprechender Verstärkung für eine Kamera verwertbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von dem einleitend genannten Stand der Technik, einen lichtunabhängigen elektrischen Generator vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird ausgehen von einem Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die Erfindung macht sich dabei den Umstand zunutze, dass bei einem Halbleiterelement die Bandlücke auch mittels einem unmittelbaren Wärmeeintrag in das Halbleiterelement überwindbar ist. Eine Elektronenanregung in einer Raumladungszone eines Halbleiterelementes durch Wärmeübertragung wurde bislang noch nicht zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie vorgesehen, da bei den bekannten Halbleiterelementen hierbei nur eine sehr geringe elektrische Leistung zur Verfügung steht.

Erfindungsgemäß werden nunmehr jedoch eine Vielzahl derartiger Raumladungszonen vorgesehen, die hintereinander und/oder parallel geschaltet angeordnet werden. Mit den Methoden moderner Halbleitertechnik ist es möglich, diese Vielzahl in einer Größenordnung vorzusehen, sodass auch durch thermische Anregung eine für technische Anwendungen interessante Leistungsausbeute möglich ist.

Ein erfindungsgemäßer elektrischer Generator bietet somit den Vorteil der unmittelbaren Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, wobei lediglich eine Wärmezufuhr für die Energieumwandlung erforderlich ist. Der Wirkungsgrad eines solchen thermoelektrischen Generators hängt demnach nur von der Wärmeisolation ab und kann daher deutlich über dem Wirkungsgrad bekannter, mit Wärmekraftmaschinen betriebener Generatoren liegen.

Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßer elektrischer Generator ein integriertes Halbleiterbauelement, das die Raumladungszonen umfasst. Mit einem entsprechend moderner Halbleitertechnik ausgebildeten integrierten Halbleiterelement lässt sich eine sehr große Vielzahl von miteinander gekoppelten Raumladungszonen in überschaubaren makroskopischen Dimensionen unterbringen. Wird beispielsweise eine Elementarzelle bestehend aus einem PN-Übergang sowie zugeordneten Leiterbahnen mit einer Schichtdicke von einem Mikrometer vorgesehen, so sind auf einer Länge von einem Meter 10⁶ derartige Elementarezellen vorhanden. Die Leistungsausbeute der einzelnen Elementarelemente lässt sich dementsprechend aufaddieren, sodass makroskopisch ein derart strukturiertes thermoelektrisches Element eine technisch verwertbare Energieausbeute liefern kann.

Vorzugsweise wird hierbei eine dreidimensionale Struktur vorgesehen. Der Aufbau einer Elementarzelle des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators ähnelt dem eines photovoltaischen Elementes. Für einen thermoelektrischen Generator kann jedoch der Umstand genutzt werden, dass für den Wärmeintrag keine flächige Struktur, sondern vielmehr eine dreidimensionale Struktur verwendet werden kann. Durch die Nutzung der dritten Dimension ergibt sich die Möglichkeit, eine erheblich größere Vielzahl von anregbaren Raumladungszonen in einem praktikablen Volumen unterzubringen und somit einen in der Größe praktikablen Verhältnis zur Leistungsausbeute stehenden thermoelektrischen Generator zu schaffen.

Vorteilhafterweise werden die Raumladungszonen wenigstens bereichsweise in Schichten angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich neben einer besonders einfachen Struktur mit den entsprechenden Vorteilen bei der Herstellung eines entsprechenden thermoelektrischen Halbleiterelementes auch die Möglichkeit, die Raumladungszone einer Elementarzelle möglichst großflächig auszubilden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Leistungsausbeute der einzelnen Elementarzelle auswirkt. Da die thermische Anregung mit einer physikalisch vorgegebenen Übergangswahrscheinlichkeit bei vorgegebener Temperatur stattfindet, hängt die Anzahl der dadurch angeregten Elektronen und somit auch der maximal aus einer solchen Elementarzelle erzeugbare Strom bei der durch die Bandlücke gegebenen Spannung davon ab, wie viele Elektronen zur Anregung in der Raumladungszone zur Verfügung stehen. Daher ist eine möglichst großflächige Ausbildung einer einzelnen Elementarzelle durchaus von Vorteil, um eine größere Anzahl von Elektronen bei gegebener Temperatur in der Raumladungszone anzuregen.

Vorteilhafterweise wird zur Kopplung zweier benachbarter Raumladungszonen eine zwischen den Raumladungszonen angeordnete elektrische Leiterschicht vorgesehen. Somit ist in einem geschlossenen integrierten Aufbau die Hintereinanderschaltung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Raumladungszonen möglich, ohne dass aufwändige Strukturen für etwaige Leitbahnen vorgesehen werden müssen.

Ein elektrischer Generator wird vorteilhafterweise zusätzlich mit einer Wärmequelle versehen. Die Wärmequelle selbst kann dabei auf unterschiedlichen technischen oder natürlichen Prinzipien beruhen. Bevorzugt wird jedoch ein Brennstoffbrenner als Wärmequelle vorgesehen. Ein solcher Brennstoffbrenner kann dabei nicht nur als Flammenbrenner mit einer offenen Flamme ausgestaltet sein. Denkbar wäre durchaus auch die Verwendung eines katalytischen Brenners, bei dem die Umsetzung des Brennstoffs an einer katalytischen Oberfläche erfolgt. Auch die Kombination beider Prinzipien ist dabei ohne Weiteres möglich. Gegenüber der elektrischen Energieerzeugung mit Hilfe zugeschalteter Wärmekraftmaschinen bietet die Verwendung eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Elementes dabei den weiteren Vorteil, dass die Wärme in einer kontinuierlichen Verbrennung bereitgestellt werden kann. Hierdurch wiederum ist es möglich, die Verbrennung dergestalt zu optimieren, dass sie weitgehend rückstandsfrei und somit mit geringst möglichem Schadstoffanteil stattfinden kann.

Grundsätzlich sind auch andere Wärmequellen, z. B. auch ein Kernreaktor zur Wärmezufuhr für das erfindungsgemäße thermoelektrische Halbleiterelement denkbar. Auch die Wärmezufuhr aus natürlichen Wärmequellen, wie Sonnenwärme, Erdwärme, oder dergleichen wäre einsetzbar, wobei gegebenenfalls eine Wärmepumpe zwischengeschaltet wird, um mit der Temperatur die erforderliche Anregungsenergie zu erreichen. Beim Einsatz von zwischengeschalteten Wärmepumpen ist selbstverständlich auf eine positive Energiebilanz bei der Erzeugung elektrischer Energie zu achten. Sonnenkollektoren, die deutlich kostengünstiger und mit höherem Wirkungsgrad arbeiten als photovoltaische Elemente wären somit auch zur Stromerzeugung zu verwenden.

Falls ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Element als kompakter Block aufgebaut ist, ist es erforderlich, die zugeführte Wärme auch ins Innere des thermoelektrischen Elementes zu bringen. Hierzu werden vorzugsweise Wärmetransportelemente vorgesehen. Diese können in unterschiedlicher Art und Weise ausgestaltet werden. Denkbar wäre dass Anbringen von Kanälen, die von einem flüssigen oder gasförmigen Fluid als Wärmetransportmedium durchströmt werden.

Weiterhin können vorteilhafterweise Wärmeleitelemente in den strukturellen Aufbau des thermoelektrischen Halbleiterelementes eingebettet werden. Infrage kommen beispielsweise Zwischenschichten aus einem entsprechend ausgesuchten wärmeleitenden Material mit entsprechenden Querschnitten, um den Wärmetransport ins Innere des thermoelektrischen Halbleiterelementes zu gewährleisten.

Vorzugsweise wird eine elektrische Leiterschicht aus einem Material, z. B. einem Metall gefertigt, wodurch sich neben den guten elektrischen Eigenschaften auch eine gute Wärmeleitung ergibt.

In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform werden die elektrischen Leiterschichten, die zwischen einzelnen Raumladungszonen vorgesehen sind, wenigstens teilweise als Wärmeleitelemente ausgebildet. Diese als Wärmeleitschichten vorgesehen Leiterschichten werden dementsprechend dicker ausgebildet, als die lediglich zur elektrische Leitung vorgesehen Leiterschichten. Bei den idealerweise vorgesehenen kleinen Schichtdicken für die einzelnen Elementarzellen wird es für einen ausreichenden Wärmeübertrag ins Innere eines erfindungsgemäßen Halbleiterelementes ausreichen, wenn nicht jede Leiterschicht, sondern in periodischen Abständen, beispielsweise von einigen Millimetern eine dickere Leiterschicht zugleich als Wärmeleitungsschicht ausgebildet wird.

Als Halbleitermaterial kommen alle bekannten und künftigen Halbleitermaterialien in Betracht. Dabei ist darauf zu achten, dass die Bandlücke zwischen Valenzband und Leitungsband und somit die erforderliche Anregungsenergie für die thermisch anzuregenden Elektronen und damit auch die Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Generators in einem Bereich liegt, bei dem das jeweilige Halbleitermaterial thermisch stabil ist.

Neben den bekannten anorganischen Halbleitermaterialien können für ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Element auch organische Materialien eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in sogenannten organischen LED zum Einsatz kommen. Diese Materialen weisen den Vorteil auf, dass sie in flüssiger Form verarbeitbar sind, wodurch sich ein einfacher Schichtaufbau, z. B. durch Aufsprühen realisieren lässt.

Bei Temperaturen, bei denen die thermische Energie oberhalb der Anregungsenergie liegt, kann ein erfindungsgemäßer Generator zugleich als Kühlelement verwendet werden, da der Generator der Umgebung Wärme entzieht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figur nachfolgend näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektrischen Halbleiterelementes für einen erfindungsgemäßen Generator und
2 zeigt einen vollständigen erfindungsgemäßen elektrischen Generator.
Das Halbleiterelement 1 gemäß 1 ist auschnittweise in vielfach vergrößerter Darstellung gezeichnet. Zu erkennen ist eine Abfolge von metallischen Leiterschichten M, positiv dotierten Halbleiterschichten p und negativ dotierten Halbleiterschichten n. Eine etwas dicker eingezeichnete metallische Leiterschicht T dient zugleich als elektrische Leitungsschicht sowie als thermische Leitungsschicht. Der dargestellte Schichtaufbau zeigt dementsprechend eine Reihenschaltung mehrerer Elementarzellen (E, M, p, n, M ) durch die die elektrische Spannung, die durch die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials vorgegeben ist, aufaddiert wird.
2 zeigt einen vollständigen Generator 2, bei dem in der dargestellten Ausführungsform das Generatorelement 1 in einem flüssigen Wärmetransportmedium 3 angeordnet ist. Zwei mit den außenseitigen metallischen Leiterschichten M verbundene Elektroden 5, bilden die Spannungspole des Halbleiterelementes 1. Unterhalb des Behälters 6 für das Wärmetransportmedium 3 und das Halbleiterelement 1 ist ein Brenner 7 angeordnet, wie durch eine angedeutete Flamme 8 veranschaulicht wird. Ein Gasstrom wird am Boden 9 entlang geführt und durch die Flamme 8 erwärmt.
Die gesamte Anordnung sollte nach Möglichkeit durch eine nicht näher dargestellte Isolation thermisch abgeschirmt werden. Gegebenenfalls ist auch ein Wärmetauscher im Brennstoff- und Abgasstrom für den Brenner 7 vorzusehen, um dessen Wirkungsgrad zu verbessern.
Die erfindungsgemäßen Raumladungszonen befinden sich im Übergangsbereich zwischen den positiv dotierten Halbleiterschichten und den negativ dotierten Halbleiterschichten. Aufbau und Funktion derartiger Raumladungszonen sind aus der Halbleiterphysik und insbesondere aus der Photovoltaik oder der Sensortechnik hinlänglich bekannt.
Der dargestellte Generator 2 ist ein Gleichspannungsgenerator. Grundsätzlich ist es ohne weiteres möglich, durch entsprechende Schaltkreise daraus eine Wechselspannung zu erzeugen, um für entsprechende Anwendungen Wechselspannung zur Verfügung zu stellen. Diese Schaltkreise können beispielsweise auch unmittelbar in das Generatorelement 1 integriert werden, indem beispielsweise in die Randschichten die entsprechenden Schaltelemente in bekannter Weise integriert werden.
Neben der Materialauswahl für die verwendeten Halbleiterschichten können auch die Schichtdicken zur Optimierung des Halbleiterelementes 1 variiert werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die gleichmäßigen Schichtdicken lediglich aus Gründen der vereinfachten Darstellung.
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterelementes 1 ist nicht auf das Bereitstellen ebener Schichten wie in 1 dargestellt beschränkt. Wesentlich ist die Kopplung einer Vielzahl von Raumladungszonen bzw. PN-Übergängen. Jede Art von Struktur, die geeignet erscheint, ist dabei verwendbar. So könnte beispielsweise zur Verbesserung der Wärmeübertragung auch eine oberflächenvergrößernde Struktur, beispielsweise Sternstrukturen, Zickzackstrukturen oder dergleichen in Betracht gezogen werden.

1: Halbleiterelement
M: metallische Leiterschicht
p: positiv dotierte Halbleiterschicht
n: negativ dotierte Halbleiterschicht
M_T: thermische Leitungsschicht
E: Elementarzelle
2: Generator
3: Wärmetransportmedium
4: Elektrode
5: Elektrode
6: Behälter
7: Brenner
8: Flamme
9: Gasstrom

Claims

Elektrischer Generator, der ein Halbleiterelement mit einer durch einen PN-Übergang erzeugten Raumladungszone umfasst, wobei das Halbleiterelement eine durch thermische Elektronenanregung überwindbare Bandlücke aufweist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl derartiger Raumladungszonen (p, n) vorgesehen ist, die hintereinander und/oder parallel geschaltet angeordnet sind.
Elektrischer Generator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das als integriertes Halbleiterelement ausgebildet ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Raumladungszonen (p, n) in einer dreidimensionalen Struktur angeordnet sind.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Raumladungszonen wenigstens bereichsweise in Schichten (p, n) angeordnet sind.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Kopplung zweier benachbarter Raumladungszonen (p, n) eine dazwischen angeordnete elektrische Leiterschicht (M) vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (7, 8) vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle ein Brennstoffbrenner (7) vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbrenner (7) als Flammenbrenner und/oder katalytischer Brenner ausgebildet ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle ein Kernreaktor vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle eine natürliche Wärmequelle vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetransportelemente vorgesehen sind.
Elektrische Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeleitelemente vorgesehen sind.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leiterelemente wenigstens teilweise als Wärmeleitelemente ausgebildet sind.
Elektrisches Generatorelement nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches und thermisches Leiterelement aus Metall vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter wenigstens teilweise ein organisches Material vorgesehen ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Raumladungszonen (p, n) umfassenden Elementarzellen E größer als 10.000, insbesondere größer als 100.000, vorzugsweise größer als 1.000.000 ist.
Elektrischer Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator mit einem Halbleiterelement (1) und einer Wärmequelle nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.