DE3906345A1 - Thermoelektrisches wandlerelement - Google Patents
Thermoelektrisches wandlerelementInfo
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Description
Die wohl am häufigsten verwendete sekundäre Energie
form ist zur Zeit die elektrische Energie. Es wird
daher die Umwandlung der verschiedensten primären
Energiearten mit möglichst gutem Wirkungsgrad in
elektrische Energie versucht. Um Wärmeenergie wirt
schaftlich in elektrische Energie umwandeln zu können,
war bisher das Vorliegen einer ausreichend großen
Temperaturdifferenz notwendig.
Mit der vorliegenden Erfindung soll dagegen auch die
jenige Wärmeenergie in elektrische Energie umgeformt
werden, die in Form eines einheitlichen Temperatur
niveaus, also ohne Vorhandensein einer Temperatur
differenz, vorliegt.
Es ist bereits bekannt, mit Hilfe von Photovoltaik-
Elementen aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen.
Bei diesen Photovoltaikelementen handelt es sich bei
spielsweise um pn-Dioden etwa auf Siliziumbasis.
Dabei weist der Halbleiterkörper aus Siliziumsubstrat
drei unterschiedliche Bereiche auf. Die beiden äußeren
Bereiche sind p- bzw. n-dotiert, so daß das Silizium
dieser beiden Bereiche unterschiedliche Elektronen
affinitäten und damit unterschiedliche Redox-potentiale
aufweist. Bei Verbindung dieser beiden äußeren Bereiche
über einen elektrischen Leiter mit Verbraucher bzw. zu
einem geringen Maß auch über eine hochohmige Sperr
schicht kommt es zu einem Austausch von Ladungsträgern
mit der Tendenz, die unterschiedliche Konzentration von
Elektronen bzw. Elektronenfehlstellen auszugleichen. Da
durch wird das p- Silizium negativ und das n-Silizium positiv
aufgeladen. Da sich zwischen den äußeren Bereichen im mittleren Bereich
hochohmiges Silizium befindet, liegt mit diesen
drei Bereichen praktisch ein Kondensator vor, so
daß der Stromfluß durch den Verbraucher oder aber die
Sperrschicht endet, wenn die Aufladung dieses Kondensators beendet ist.
Um den erwünschten Stromfluß durch den Verbraucher
R aufrechtzuerhalten, ist also ein ständiges Entladen
des Kondensators, der durch die drei Bereiche des
Halbleiterelementes gebildet wird, notwendig. Dies
geschieht bei den Photodioden dadurch, daß einzelne
Atome des im mittleren Bereich ausschließlich vorhande
nen Si-Substrates durch das Auftreten von Lichtkorpuskeln
sowie der zugehörigen elektromagnetischen Strahlung,
den Photonen, ionisiert werden. Die dadurch entstehenden
Ladungsträger wandern zu den entgegengesetzt geladenen
Kondensatorflächen, also den äußeren beiden Bereichen
des p- bzw. n-dotierten Siliziums.
Die Mindestenergie zum Überführen einer Ladung aus dem Valenz-
in das Leitungsband beträgt etwa 1,1 eV und wird von den Photonen mit
einer Wellenlänge im Bereich das sichtbaren Lichtes und des nahen
Infrarots übertroffen.
Die oben angeführten Photovoltaikelemente (photovoltaischen
Elemente) weisen nun einen "Dunkelstrom" auf, d.h. daß in
einem äußeren Stromkreis auch dann noch ein Strom re
gistriert werden kann, wenn sich das Element im Dunkeln
befindet.
Dies rührt nun ganz offensichtlich daher, daß die auf das
Element einwirkende Wärmeenergie, die physikalisch gesehen
aus Schwingungen des Atomgitters (Phononen) und elektro
magnetischen Wellen (Photonen) besteht, ebenfalls
zu einem gewissen Teil in elektrische Energie umge
wandelt wird.
Die Spektralcharakteristik der schwarzen Strahlung
ist nämlich so beschaffen, daß bei jeder Temperatur für
das Auftreten jeder beliebigen Photonen-/Phononenenergie
eine bestimmte Wahrscheinlichkeit angegeben werden kann.
So wird ein schwarzer Strahler bei Zimmertemperatur
ganz überwiegend Quanten des mittleren und fernen
Infrarot emittieren. Daneben treten in geringerer Zahl
aber auch Quanten des nahen IR, des sichtbaren Bereiches,
und mit einer endlichen Wahrscheinlichkeit, sogar solche
des UV-Bereiches auf, die nun alle in der Lage sind, den
Bandabstand des Si zu überwinden und damit den o.a.
Dunkelstrom zu erzeugen.
Obwohl dieser Dunkelstrom beweist, daß Wärmeenergie
prinzipiell in elektrische Energie umgewandelt werden
kann, ohne daß dazu eine Temperaturdifferenz nötig wäre,
sind diese Ströme zu klein, um wirtschaftlich nutz
bar zu sein.
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Wand
lerelement zu schaffen, welches Wärmeenergie in
elektrische Energie umwandeln kann, wobei diese Wärme
energie durchaus auf einem einheitlichen Temperatur
niveau liegen kann.
Dazu wird im Prinzip von einer Si-Solarzelle ausgegangen,
deren Grenzwellenlänge durch geeignete Maßnahmen in den
langwelligen Bereich verschoben wird.
Da mit diesem Bauelement Wärmeenergie in elektrische
Energie umgesetzt werden soll, muß die Grenzwellenlänge
Gwl in den Bereich von etwa 10 µm verschoben werden,
da hier das Maximum der Wärmestrahlung bei 20°C liegt.
Eine Voraussetzung für das Funktionieren einer solchen
Zelle ist natürlich, daß die Ladungserzeugung mittels
thermischer Energie nur in der Umgebung der Sperrschicht
und nicht in den äußeren p- bzw. n-dotierten Bereichen er
folgt, die das elektrische Feld erzeugen. Eine zu große
Zahl von Ladungen in diesen Bereichen hätte nämlich
ein Zusammenbrechen des intrinsischen elektrischen
Feldes zur Folge, das ja für den photovoltaischen
Effekt bzw. für die Trennung der in der Sperrschicht
erzeugten Ladungspaare unbedingt notwendig ist. Ein
solcher Fall tritt z.B. dann auf, wenn pn-Photoelemente,
die einheitlich aus einem Halbleitermaterial mit kleinem
Bandabstand bestehen (InSb, HgCdTe), bei zu hoher
Temperatur betrieben werden.
Die erfindungsgemäßen Zellen dürfen daher keinen einheit
lichen Bandabstand aufweisen, insbesondere muß das Di
elektrikum, also der mittlere Bereich, einen kleineren
Bandabstand aufweisen als die felderzeugenden äußeren
Bereiche a und b.
Da die Zahl der im mittleren Bereich erzeugten Ladungen
den Strom im äußeren Stromkreis bestimmt, ist eine möglichst
hohe Ionisierung bei der gegebenen Temperatur wünschens
wert. Während also für die felderzeugenden Bereiche der
Einsatz von Materialien einen relativ großen Bandabstand,
also hohe Ionisierungsenergie, sinnvoll ist, muß der
mittlere Bereich Substanzen oder Strukturen mit einem
möglichst geringen Bandabstand, d.h. einer geringen
Ionisierungsenergie enthalten. An den Übergängen zwischen
mittleren und äußeren Bereichen dürfen dabei selbstver
ständlich keine neuen Sperrschichten auftreten, sondern
es muß sich um Ohmsche Kontakte handeln, so daß keine oder
allenfalls nur eine geringe Richtwirkung vorliegt.
Eine Ladungserzeugung im mittleren Bereich durch geeignete
Phononen mit einer Energie auch unter 0,25 eV kann auf die
verschiedenen, im folgenden anhand der Fig. 1 dargestellten
Arten bzw. deren Kombination erreicht werden.
Fig. 1 zeigt ein Wandlerelement, welches aus drei in
Reihe liegenden Bereichen besteht, nämlich den beiden äußeren
Bereichen a und b sowie dem dazwischen liegenden Bereich c.
Die beiden äußeren Bereiche a und b sind an ihren freien
Seiten mit Elektroden versehen, welche über einen Verbraucher
R zu einem äußeren Stromkreis miteinander verbunden werden können.
Das erfindungsgemäße Wandlerelement kann zunächst wie
eine pn-Diode aufgebaut sein. In diesem Falle würden alle
drei Bereiche a, b und c auf dem gleichen Substratmaterial,
beispielsweise Silizium, beruhen. Die beiden äußeren
Bereiche a und b sind dann p- bzw. n-dotiert, während
im mittleren Bereich c das Substrat keine oder allenfalls nur
eine schwache Nettodotierung aufweist.
In dem mittleren Bereich c, also dem Dielektrikum, kann
nun eine Erzeugung von Ladungen durch Ionisation von
Substratatomen bzw. -Molekülen mittels innerer Feldemission
erfolgen. Die für diese Ionisierung notwendige Energie
hängt jedoch reziprok von der Stärke des zwischen den
äußeren Bereichen a und b bestehenden intrinsischen
Feldes ab. Deshalb genügt z.B. bei einer Feldstärke ab
etwa 106 V/cm bereits die bei Raumtemperatur auftretende
thermische Polarisierung der Siliziumatome, um freie La
dungen in nennenswerter Zahl zu erzeugen.
Die erforderliche hohe Feldstärke kann entweder durch
eine starke Dotierung der p- bzw. n-Bereiche oder eine
geringe Dicke der Sperrschicht, also des mittleren
Bereiches c oder eine Kombination beider Maßnahmen erreicht
werden. Dabei hängt die Wahl der Dicke bzw. der Höhe der
Feldstärke als auch die Wahl des als Substrat verwendeten
Materials davon ab, wie hoch die Energie der zur Ver
fügung stehenden Photonen bzw. Phononen ist. Die erforder
liche Feldstärke steigt jedoch mit abnehmender Arbeits
temperatur und zunehmendem Bandabstand des verwendeten
Substrates an, so daß beispielsweise für den Einsatz bei
tiefen Temperaturen insbesondere Materialien mit kleinem
Bandabstand geeignet sind, also etwa Ge, GaSb, PbS, InAS,
PbTe, InSb, Bi2Te3, HgCdTe. Wegen der gut beherrschten
Technologie wird auch Si in Betracht zu ziehen sein.
Dabei ist bei einer Feldstärke ab etwa 1 MV/cm mit dem
Auftreten nennenswerter, aus thermischer Energie erzeugter,
Ströme zu rechnen, also etwa einer Zenerspannung von
0,5 Volt und darunter.
Die schwarze Strahlung eines Körpers in Abhängigkeit der
Wellenlänge stellt für jede Temperatur eine andere Glocken
kurve dar, deren rechte Hälfte (langwelliger, hochenerge
tischer Bereich) nur ca 10% der Photonen/Phononen, aber
25% der Systemenergie repräsentiert, aufgrund des hohen
Energiegehaltes dieser Photonen/Phononen. Die andere Hälfte
stellt die fehlenden 90% der Photonen/Phononen und 75% der
Systemenergie dar.
Setzt man (als Berechnungsgrundlage) als Mindestenergie
eines Quantes, welches zum Betreiben einer Solarzelle ge
eignet ist, gerade den Energiegehalt bzw. die Wellenlänge an,
die dem Maximum der Glockenkurve entspricht, so stehen die
besagten 25% der Systemenergie zum Betreiben der Solarzelle
zur Verfügung.
Wenn diese 25% der Energie der erstmals auftretenden schwarzen
Strahlung in elektrischen Strom umgewandelt werden sollen,
so sind die aus der folgenden Tabelle angegebenen Feld
stärken zwischen den Bereichen a und b des Wandlerelementes
notwendig, abhängig von der Wellenlänge d, bei der das
Leistungsmaximum der schwarzen Strahlung auftritt und
der Arbeitstemperatur der Sperrschicht, also des mittleren
Bereiches c.
Zum Dotieren des Substrates in den Bereichen a und b
kommen hierbei die, beispielsweise auch bei Tunneldioden
verwendeten, im folgenden aufgeführten Stoffe in Frage:
für p-Ge: In/Ga (0,5%)
für n-Ge: Bi/Sn/As
für p-GaAs, GaSb: Sn
für n-Ge: Bi/Sn/As
für p-GaAs, GaSb: Sn
ansonsten:
für n-Ge/Si: P, As, Sb, Bi, Li
für p-Ge/Si: B, Al, In, Ga, Tl
für p-Ge/Si: B, Al, In, Ga, Tl
Dabei ist zu beachten, daß die innere Feldemission und
damit ein Stromfluß durch den Verbraucher R so lange
stattfindet, bis die Temperatur im mittleren Bereich c
unter einen bestimmten, von der Feldstärke abhängigen
Wert gesunken ist. Andererseits darf, beispielsweise bei
Verwendung von Materialien als Substrat, die einen geringen
Bandabstand aufweisen, die Temperatur in den äußeren Bereichen
nicht zu hoch ansteigen, da das Wandlerelement sonst eigen
leitend wird und keinen photovoltaischen Effekt mehr aufweist.
Dies bedeutet, daß das Wandlerelement sich immer etwa in
dem Temperaturbereich befinden muß, für den es ausgelegt
ist, z.B. ein für 0°C ausgelegtes Si-Element zwischen
-90°C und +120°C.
Ob sich die durch die Ladungstrennung im mittleren Bereich
c stattfindende Abkühlung des Substrates gerade mit der
Wärmezufuhr durch das umgebende wärmere Medium bzw. die
auftreffenden Phononen die Waage hält oder eine zusätzliche
Kühlung des Wandlerelementes notwendig ist, hängt beispiels
weise von der Energiedichte des umgebenden Arbeitsmediums
ab.
Die dotierten Bereiche a und b des Substrates könnten durch
die bekannten Verfahren des Einschmelzens beispielsweise
von In oder Ga in n-Ge als Substrat erfolgen, oder bei
großflächigen Zellen durch Eindiffundieren und Implantieren
etwa von Al oder In in n-Ge oder n-Si als Substrat zur Er
zeugung der p-Dotierung. Ebenfalls möglich ist ein epi
taxialer Aufbau. Ein derart aufgebautes Wandlerelement
hätte den Vorteil eines einfachen Aufbaus, da ein ein
heitliches Substrat zugrundeliegt.
Die Ionisation im Bereich c kann jedoch auch dadurch
erreicht werden, daß hier zusätzlich zum Substratmaterial
Störstellen vorhanden sind, bei denen es sich um Teilchen
wie Atome, Ionen, Moleküle etc. aber auch um Kristallfehler
und ähnliches handeln kann. Im Gegensatz zur Solarzelle,
wo zur Ionisierung lediglich das Material des Substrats
zur Verfügung steht, kann im vorliegenden Fall durch
gezielte Wahl der einzubringenden Störstellen und der
elektrischen Feldstärke die spektrale
Empfindlichkeit variiert werden, so daß insbesondere bereits
thermische Phononen zur Erzeugung der freien Ladungen
ausreichen. Dabei werden die Störstellen so ausgewählt,
daß sie energetische Zwischenniveaus in der "verbotenen
Zone" des Substratmaterials bilden, also ihre Bandbreite
geringer ist als dieses Substratmaterial. Die durch die
Störstellen definierten energetischen Zwischenniveaus
sollten dabei so gewählt werden, daß die Bandbreite des
Substratmateriales in etwa gleich große Teilbereiche unter
teilt wird. Damit kann der Übertritt einer Ladung aus dem
Valenz- in das Leitungsband über das bzw. die energetischen
Zwischenniveaus erfolgen, wenn ein Photon oder Phonon auf
trifft, dessen Energiegehalt größer ist als der erforderliche
Teilbetrag zwischen den einzelnen Energieniveaus bzw.
zwischen dem Valenz- oder Leitungsband und dem am nächsten
kommenden Zwischenniveau. Durch das auftretende Photon bzw.
Phonon wird ein Elektron aus dem Valenzband auf ein Zwischen
niveau angehoben, wobei eine positive Ladung im Valenzband
zurückbleibt. Durch das vorhandene elektrische Feld wird
die positive Ladung aus dem Dielektrikum entfernt und damit
eine Rekombination verhindert.
Beim Auftreten eines weiteren geeigneten Photons oder
Phonons wird das Elektron eventuell über weitere vorhandene,
höher liegende energetische Zwischenniveaus letztendlich
in das Leitungsband angehoben und zum Pluspol des elektrischen
Feldes gezogen.
Bei diesen Zellen kann der Bandabstand also durch mehrere
nacheinander auftreffende niederenergetische Photonen/
Phononen überwunden werden, wohingegen z.B. eine Solarzelle
ein einziges Quant höherer Energie benötigt.
Als Substrat für ein derart ausgebautes Wandlerelement
können bekanntermaßen Si, Ge, GaAs oder GaSb verwendet
werden. Zur Dotierung der Bereiche a und b, also der
felderzeugenden Bereiche, können bei Silizium oder Ger
manium als Substratmaterial die bei der ersten Variante
genannten Elemente dienen. Bei Gallium-Arsen-Verbindungen
oder Gallium-Verbindungen als Substrat können
Atome der II. Haupt- und Nebengruppe sowie der VI. Haupt
gruppe des Periodensystems der Elemente zum Dotieren in
den Bereichen a und b verwendet werden.
Als Störstellenatome im mittleren Bereich c kommen dagegen
bei Silizium als Substratmaterial die Elemente Ag, Cd, Mn, Fe,
Sn, Pb, Au, Co, Ni oder Cu in Frage, wobei die Auswahl
der zu verwendenden Atome gemäß der beispielhaften
Tabelle
ausschließlich nach den energetischen Teilbereichen zu
erfolgen hat, die von den zu verwertenden Photonen bzw.
Phononen noch bewältigt werden können.
Die angegebenen Energieabstände Δ E max gelten bei fehlender,
zusätzlich angelegter Feldstärke und 0°C, bei Anlegen der angegebenen
Feldstärken ergeben sich dagegen maximale Energieabstände von 0,117 eV,
wobei ersichtlich ist, daß die erforderlichen Feldstärken
nunmehr bereits deutlich unterhalb der MV-Grenze liegen.
Die Tabellenwerte gelten für 0°C Arbeitstemperatur und
etwa 25%iger Ausnutzung der vorhandenen Wärmeenergie.
Bei Germanium als Substratmaterial sind dagegen die
Elemente Mn, Co, Ni, Ag, Au, Sn, Pb oder Cu
als Störstellenatome geeignet, wobei, wie die Tabelle
zeigt, daß aufgrund der niedrigeren energetischen Teilbeträge auch
geringere Feldstärken erforderlich sind. Ein derartiges
Wandlerelement könnte beispielsweise durch p-dotiertes
Substrat, Silizium oder Germanium, aufgebaut werden,
in welches einseitig Kupfer eindiffundiert wird, worauf
ein epitaxialer Überbau von n-dotiertem gleichem Substrat
aufgebracht wird.
Ein solches Wandlerelement würde zwar einen höheren
Herstellungsaufwand bedingen, da sich die Störstellen
insbesondere möglichst im Bereich des maximal elektrischen
Feldes befinden sollten, jedoch hätte ein derartiges
Wandlerelement den Vorteil, daß eine wesentlich geringere
elektrische Feldstärke zwischen den Bereichen a und b
erforderlich wäre.
Anstelle der Störstellen im mittleren Bereich c eines
Substrats mit großem Bandabstand kann der Bereich des
maximalen Feldes, also der mittlere Bereich c, auch direkt
aus einer Schicht eines leicht ionisierbaren Materials,
also insbesondere eines Halbleiters mit geringem Bandab
stand, oder eines Materials mit freien Ladungen, also
insbesondere eines Metalls, bestehen.
Der Bereich c muß mit den Bereichen a und b durch Kontakte
verbunden sein, die energetisch gesehen einen kontinuier
lichen Übergang zwischen den jeweiligen Valenzbändern
sowie den jeweiligen Leitungsbändern bilden. Die Kontakte
sollten daher eine Ohm′sche Charakteristik oder allenfalls
eine geringe Richtwirkung aufweisen. Kontakte mit Ohm′scher
Charakteristik lassen sich einmal durch Verwendung von
Materialien erreichen, die per se Ohm′sche Übergänge
bilden, zum anderen dadurch, daß die angrenzenden Halb
leiterbezirke (hier a und b) stark bzw. sehr stark
dotiert werden (n⁺, n++, p⁺, p++).
Bei einem solcherart aufgebauten Wandlerelement kommen als
Substrat für die Bereiche a und b dieselben Stoffe wie
in den vorhergehenden Fällen in Frage, insbesondere auch
in stark dotierter Form, während der mittlere Bereich c
insbesondere aus Metallen bestehen kann, die mit mindestens
einem Bereich einen Ohm′schen Kontakt bilden, wie Au,
Au/0,1% Sb, Fe, Rh, Pt, Al, Zn, In, Sn, Pb, sowie außerdem
insbesondere Cu, Ag, Cd.
Selbstverständlich muß die Zwischenschicht dabei so dünn
sein, daß sie das elektrische Feld zwischen den Bereichen
a und b wenigstens nicht vollständig abschirmt.
Für ein derartiges Wandlerelement kommen dieselben
Stoffe wie in den vorhergehenden Fällen als Substrate
in Frage, während die Zwischenschicht aus Au, einer Au-Sb-
Legierung mit etwa 0,1% Sb, aus Fe, Au, Ag, Cd, Pt, Rh,
Al, Zn, En, Sn, PB oder Cu bestehen kann. Bei Silizium
als Substrat kommen ganz besonders die ersten beiden
genannten Stoffe in Frage.
Auch diese Variante könnte durch Aufbringen der leicht
ionisierbaren Zwischenschicht auf p-dotiertem Substrat
material hergestellt werden, worauf epitaxial nochmals
n-dotiertes Substrat aufzubringen wäre. Dem Nachteil dieses
relativ hohen Herstellungsaufwandes würden jedoch die
Vorteile gegenüberstehen, daß nicht nur gegenüber der ersten
Variante geringere Feldstärken zwischen dem Bereich a und
dem Bereich b vorhanden sein müssen, sondern auch gegen
über der zweiten Variante eine wesentlich größere Zahl
ionisierbarer Atome vorhanden ist, und diese Atome zu
sätzlich praktisch nicht in die felderzeugenden Bereiche
a und b eindringen können.
Claims (6)
1. Thermoelektrisches, halbleitendes Wandlerelement
zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme
energie, in Form von atomaren bzw. molekularen Gitter
schwingungen (Phononen) bzw. elektromagnetischen Wellen
(Photonen), ohne daß eine Temperaturdifferenz vorhanden
sein muß,
mit drei in Reihe liegenden, unterschiedlichen Bereichen eines Halbleitersubstrates, wobei die elektrischen An schlüsse an den gegenüberliegenden Enden dieser Reihe liegen, und
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Be reichen z.B. beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
mit drei in Reihe liegenden, unterschiedlichen Bereichen eines Halbleitersubstrates, wobei die elektrischen An schlüsse an den gegenüberliegenden Enden dieser Reihe liegen, und
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Be reichen z.B. beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- - als Substrat wird Si, Ge, GaSb, PbS, InAs, PbTe, InSb, Bi2Te3, HgCdTe, verwendet,
- - wobei zur Erzeugung
- - der n-Dotierung in Ge als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li, oder Sn
- - der p-Dotierung in Ge die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl
- - der n-Dotierung in Si als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li,
- - der p-Dotierung in Si die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl
- - der p-Dotierung in GaAs bzw. GaSb das Element Sn verwendet wird.
2. Wandlerelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat im p- bzw. n-Bereich, abhängig von
der im Betrieb des Wandlerelementes
zu erwartenden Sperrschicht Temperatur und
der am häufigsten auftretenden Wellenlänge der umzu
wandelnden Photonen so stark dotiert ist, daß die
aus der Tabelle
ersichtliche Feldstärke erreicht wird, wenn ca. 25% der auf
das Wandlerelement erstmals einwirkenden Wärmeenergie
in elektrische Energie umgewandelt werden soll.
3. Thermoelektrisches, halbleitendes Wandlerelement
zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme
energie, in Form von atomaren bzw. molekularen Gitter
schwingungen (Phononen) bzw. elektromagnetischen Wellen
(Photonen), ohne daß eine Temperaturdifferenz vorhanden
sein muß,
mit drei in Reihe liegenden, unterschiedlichen Bereichen eines Halbleitersubstrates, wobei die elektrischen An schlüsse an den gegenüberliegenden Enden dieser Reihe liegen, und
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Bereichen beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
mit drei in Reihe liegenden, unterschiedlichen Bereichen eines Halbleitersubstrates, wobei die elektrischen An schlüsse an den gegenüberliegenden Enden dieser Reihe liegen, und
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Bereichen beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- - als Substrat wird GaAs, Si, Ge oder GaSb verwendet,
- - wobei zur Erzeugung
- - der n-Dotierung in Ge als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li, oder Sn
- - der p-Dotierung in Ge die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl,
- 4- der n-Dotierung in Si als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li,
- - der p-Dotierung in Si die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl,
- - der p-Dotierung in GaAs bzw. GaSb Atome aus der zweiten Haupt- und Nebengruppe oder aus der sechsten Haupt gruppe des Periodensystems der Elemente verwendet werden und
- - der mittlere Bereich mit Atomen eines oderer mehrerer chemischer Elemente dotiert wird, die so ausgewählt sind, daß die zur Überführung einer Ladung von Valenz- in das Leitungsband erforderliche Energie durch Zwischenniveaus in etwa gleich große Teil beträge unterteilt wird,
- bei
- - Si als Substrat im mittleren Bereich mit AG, Cd, Mn, Fe, Ge, Sn, Pb, Au, Co, Ni oder Cu bzw.
- - Ge als Substrat im mittleren Bereich mit Mn, Co, Ni, Ag, Au, Sn, Pb oder Cu dotiert wird und
- - wobei die maximalen Energieabstände dieser Dotanten
bei den angegebenen Feldstärken, 0,117 eV betragen,
ohne Feldstärke und bei Null Grad Celsius und
anfangs 25%iger Nutzung der Wärmeenergie bei
- - Si als Substrat wie folgt anzusetzen sind:
- - Ge als Substrat wie folgt anzusetzen sind:
4. Thermoelektrisches, halbleitendes Wandlerelement
zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme
energie, in Form von atomaren bzw. molekularen Gitter
schwingungen (Phononen) bzw. elektromagnetischen Wellen
(Photonen), ohne daß eine Temperaturdifferenz vorhanden
sein muß,
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Bereichen beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Bereichen beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- - als Substrat der äußeren Bereiche wird Si, Ge, GaAs oder GaSb verwendet,
- - der mittlere Bereich besteht aus Metall, welches über Ohmsche Kontakte oder Kontakte mit nur geringer Richtwir kung mit den äußeren Bereichen verbunden ist und
- - der mittlere Bereich ist so dünn, daß das elektrische Feld zwischen den beiden äußeren Bereichen nicht ganz abgeschirmt wird.
5. Wandlerelement nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Metall für den mittleren Bereich Fe, Au, Ag,
Cd, Pt, Rh, Al, Zn, En, Sn, Pb oder Cu verwendet
wird.
6. Wandlerelement nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung von Si als Substrat der äußeren
Bereiche als Metall für den mittleren Bereich Au bzw.
eine Legierung aus Au und etwa 0,1% Sb verwendet
wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3906345A DE3906345A1 (de) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Thermoelektrisches wandlerelement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3906345A DE3906345A1 (de) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Thermoelektrisches wandlerelement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3906345A1 true DE3906345A1 (de) | 1990-08-30 |
Family
ID=6375160
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3906345A Withdrawn DE3906345A1 (de) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | Thermoelektrisches wandlerelement |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3906345A1 (de) |
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DE102009017961A1 (de) | 2009-04-20 | 2009-11-05 | Kaufmann, Eckhard P., Dr.rer.nat. | Thermoelektrisches Wandlerelement zur Gewinnung elektrischer Energie aus Wärmeenergie mittels Kontaktspannung |
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