Strom aus Wärme durch Elektronenstau

(openPR) Elektrischen Strom kann man problemlos in Hitze umwandeln – das macht jeder Elektroherd. Aber gibt es auch den umgekehrten Weg? Kann man auch Hitze in elektrischen Strom umwandeln – und zwar auf direktem Weg, nicht über eine Dampfturbine oder ähnliche Umwege? Schon vor über 200 Jahren beantwortete der Physiker Thomas Seebeck diese Frage mit „ja“. Er konnte zeigen, dass bestimmte Materialien, sogenannte „Thermoelektrika“, Strom erzeugen, wenn sie auf der einen Seite erwärmt, auf der anderen Seite gekühlt werden. Aus einem Temperaturunterschied entsteht elektrische Energie – und zwar ganz ohne mechanische Generatoren. Man bezeichnet das heute als „Seebeck-Effekt“.

Solche thermoelektrischen Generatoren sind sehr praktisch, wenn man geringe Mengen an elektrischer Energie benötigt. Sie werden etwa bei Weltraum-Missionen eingesetzt. Doch leider sind die bisher bekannten thermoelektrischen Materialien nicht effizient genug, um konventionelle Kraftwerke zu ersetzen. Die Arbeitsgruppe um Prof. Andrej Pustogow vom Institut für Festkörperphysik an der TU Wien forscht daher an neuen Materialien mit verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften. Nun gelang es, mit einem neuen Trick die Leistung von Thermoelektrika deutlich zu verbessern.

Mehr Hitze – mehr Beweglichkeit

„Trotz einem Jahrhundert intensiver Forschung an halbleitenden Materialien gab es seit der Entdeckung von Wismut-Tellurid Verbindungen in den 1950ern keine signifikanten Fortschritte mehr, die zu einer weitverbreiteten, alltäglichen Anwendung der Technologie geführt hätten“, sagt Andrej Pustogow. „Uns ist jetzt ein großer Schritt vorwärts gelungen – und zwar mit metallischen Materialien, die bisher in diesem Bereich eigentlich nicht im Zentrum der Aufmerksamkeit standen.“

Der Seebeck-Effekt beruht darauf, dass die Beweglichkeit von positiven und negativen Ladungsträgern einerseits vom Material, andererseits aber auch von der Temperatur abhängt. „Angenommen, wir haben einen Halbleiter, in dem sich nur negative elektrische Ladungen bewegen können“, sagt Andrej Pustogow. „Zuerst sind sie überall im Material gleichmäßig verteilt, das Material ist überall elektrisch neutral. Wird nun aber eine Seite erhitzt und eine gekühlt, dann bewegen sich die negativen Ladungsträger auf der heißen Seite schneller und weiter, dort wird sich somit weniger negative Ladung aufhalten als auf der kalten Seite.“ Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz, aus der man elektrische Energie gewinnen kann.

In den meisten metallischen Materialien können sich sowohl positive als auch negative Ladungsträger bewegen. Somit befinden sich beide Sorten beweglicher Ladungsträger eher auf der kalten als auf der heißen Seite. „Plus und Minus gleichen sich aus, also entsteht auf diese Weise keine Spannung“, sagt Andrej Pustogow. „Daher hat man über metallische Materialien im Zusammenhang mit dem thermoelektrischen Effekt auch kaum nachgedacht. Man dachte, dass sie sich dafür nicht gut eignen. Wir konnten nun aber zeigen: Auch Metalle lassen sich hervorragend als Thermoelektrika nutzen.“

Unterschiedliche Geschwindigkeiten – Stau der Ladungsträger

Der entscheidende Trick ist: Man muss dafür sorgen, dass sich positive und negative Ladungsträger unterschiedlich schnell bewegen. „Man kann sich die Bewegung der Ladungen wie auf einer Autobahn vorstellen“, erklärt Pustogow. „Die positiven Ladungen fließen auf der linken Spur, die negativen auf der rechten Spur. Indem wir auf der linken Spur einen Stau erzeugen, bleiben die positiven Ladungen stecken, während die negativen Ladungen auf der rechten Spur ungehindert fließen.“ Auf diese Weise kann man exzellente Thermoelektrika bekommen, auch wenn sie sowohl positive als auch negative Ladungsträger haben.

Den „Stau“ ruft man hervor, indem man zusätzliche unbewegliche Ladungsträger im Material einbaut. Bereits 2023 konnte das Team zeigen, dass das mit bestimmten Nickel-Gold-Legierungen funktioniert. „Nun haben wir in einer Verbindung aus Nickel und Indium eine deutlich billigere Alternative ohne Gold gefunden“, so Fabian Garmroudi, Erstautor der Studie.

Eine Geometrie wie bei japanischer Flechtkunst

Auf der Suche nach neuen – und vor allem günstigeren – Alternativen sind die Forschenden auf sogenannte Kagome-Metalle gestoßen. Der Begriff ‚Kagome‘ leitet sich urspünglich aus dem Japanischen ab und bezeichnet geflochtene Bambuskörbe mit einem speziellen Muster aus Sechsecken und Dreiecken, die sich an ihren Kanten berühren.
„Erstaunlicherweise gibt es in der Natur Materialien, in denen sich die Atome in genau so einem Muster anordnen. Diese weisen interessante physikalische Eigenschaften auf – man spricht in diesem Fall von ‚geometrischer Frustration‘. Beispielsweise stellt sich heraus, dass Ladungen extrem unbeweglich werden können und innerhalb des Kagome-Sterns ‚gefangen‘ sind.“, erklärt Garmroudi.

Goldene Aussichten – auch ohne Gold

Die Forschenden konnten nun zeigen, dass diese Kagome-Geometrie zu einem extrem großen Seebeck-Effekt führen kann – um einiges größer als in bisher verwendeten Legierungen aus Nickel und Gold. Während die negativen Ladungen in einem Kagome-Metall ungebremst fließen, ermöglicht das Aufstauen positiver Ladungen bei Raumtemperatur eine sehr hohe Effizienz: Die neuartigen Thermoelektrika können sogar kommerziell erhältliche Wismut-Tellurid-Thermoelektrika übertreffen. „Mit diesen Kagome-Metallen sind wir auf eine wahre Goldgrube gestoßen, deren thermoelektrische Eigenschaften wir mit unserer Expertise im Tuning geometrischer Frustration nun systematisch verbessern,“ so Pustogow, dessen Team an der TU Wien bereits seit Jahren an frustrierten Materialien forscht.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Andrej Pustogow
Technische Universität Wien
Forschungsbereich Functional and Magnetic Materials
+43 1 58801 131 28

Originalpublikation:
F. Garmroudi et al., Topological Flat-Band-Driven Metallic Thermoelectricity, Phys. Rev. X 15, 021054 (2025).
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.15.021054