In der Mitte des XIX. Jahrhunderts wurden zwei sehr wichtige Entdeckungen gemacht. Sie wurden von Wissenschaftlern gemacht, deren Namen diese Gesetze heute genannt werden. Einer war Thomas Zeebeck und der andere war Jean Peltier. Sie entdeckten das gleiche Phänomen, das man als reziprok bezeichnen kann. Einer von ihnen entdeckte, dass die Anwendung von Potentialunterschieden Temperaturschwankungen verursacht. Ein anderer entdeckte, dass die Anwendung eines Temperaturgradienten eine Potentialdifferenz verursacht. Heute nennen wir diese Effekte die Gesetze von Peltier und Zeebeck. Sie liegen allen thermoelektrischen Phänomenen und natürlich auch den thermoelektrischen Materialien zugrunde.
Viele Jahre lang waren diese Gesetze nur physikalische Gesetze, die die Wissenschaft bereicherten. Es wurden Nachweise für die Anwendung dieser Gesetze erbracht. Einer der Wissenschaftler, Lentz, nahm zwei Drähte, die miteinander verbunden waren und aus verschiedenen Chemikalien bestanden. Mit fließendem Strom in die eine Richtung fror er einen Wassertropfen ein, an einem Wassertropfen in der anderen - ein Wassertropfen schmolz.
Das dauerte sehr lange, bis der Akademiker Abram Ioffe Mitte der 1950er Jahre die Idee formulierte, dass es möglich sei, Thermoelektrik und thermoelektrische Materialien in die eine Richtung zur Kälteerzeugung und in die andere Richtung zur Stromerzeugung nach den Gesetzen von Zeebeck und den Gesetzen von Peltier einzusetzen. Die Idee war nicht neu, aber Joffet unterstützte sie mit dem Prinzip der Materialauswahl, das bis heute in der Industrie eingesetzt wird. Er sagte, dass der Halbleiter schmalbandig sein sollte, aus sehr schweren Atomen besteht und nicht in Metall umgewandelt werden sollte. In diesem Fall ist die Bedingung eines guten thermoelektrischen Materials erfüllt.
Wenn wir über das Material sprechen, müssen wir uns ein System ausdenken, um seine Leistung oder sogar seinen Nutzen zu bewerten. Dies ist der ZT-Koeffizient, der für "thermoelektrische Qualität" steht. Sie hat keine physikalische Dimension, sagt aber, dass ein Thermoelektriker ein guter Stromleiter und ein schlechter Wärmeleiter sein muss. Es ist sehr schwierig, in einem Material zu kombinieren, aber das ist grundsätzlich möglich. Die Theorie enthält keine Verbote. Wir mussten herausfinden, wie diese Stoffe verwendet werden können, in welcher Ecke des chemischen Systems in der Mendelejew-Tabelle es möglich ist, solche chemischen Elemente zu nehmen, so dass sie in einem Stoff mit den gewünschten Eigenschaften kombiniert werden können.
Ioffe erfand das Material Wismuttellurid, seine chemische Formel - Bi2Te3. Es kann selbst ein thermoelektrisches Material sein, aber um seine Effizienz zu erhöhen, wird es legiert: viel Antimon, eine gewisse Menge Selen und andere Additive werden hinzugefügt. Bislang basieren 95% aller thermoelektrischen Materialien auf Wismuttellurid.
Wo verwenden wir thermoelektrische Materialien? Es gibt viele Bereiche, aber der Markt für thermoelektrische Materialien ist sehr klein: Der jährliche Umsatz wird auf weniger als 2 Milliarden Dollar geschätzt. Dennoch gibt es eine Reihe von Anwendungen. Erstens, Kühlung: Man kann etwas kühlen, das nicht viel Energie und viel Kälte benötigt. Wenn es um thermoelektrische Kältemaschinen von 100 Watt oder weniger geht, sind sie konkurrenzfähig mit Kompressionskältemaschinen. Kompressionskältemaschinen sind einfach: Je größer das Volumen, desto höher der Wirkungsgrad. Thermoelektrische Materialien haben diese Beziehung nicht.
Der Vorteil von thermoelektrischen Kühlschränken gegenüber Kompressionskältemaschinen besteht darin, dass thermoelektrisches Material und darauf basierende Geräte sehr lange funktionieren können. Für einige Materialien liegen die Schätzungen der Lebenserwartung zwischen 20 und 30 Jahren. Solche Geräte erfordern keine ständige Wartung: Sie haben keine beweglichen Teile, keine Überhitzung und keine mechanischen Belastungen. Sie produzieren jedoch keine sehr gute Kälte. Der Wirkungsgrad moderner thermoelektrischer Materialien, die Kälte erzeugen, wird auf etwa 6-7% geschätzt. Dennoch wurde Wismuttellurid in thermoelektrischen Kühlmaterialien bisher nicht ersetzt. Und die Suche nach neuen Materialien ist eine eigene Aufgabe.
Wie wir bereits besprochen haben, gibt es Zeebeck- und Peltier-Effekte. Und wenn einer von ihnen für die Kühlung verantwortlich ist, der andere für die Stromerzeugung unter dem Einfluss von Temperaturunterschieden. Dies führt zu einer neuen Idee, nämlich dass Wismuttellurid für die meisten Anwendungen nicht zu vermeiden ist. Bismuttellurid, auch wenn es gut legiert ist, funktioniert normalerweise bis zu Temperaturen von 100-150 °C. Natürlich kann es verwendet werden: Stellen Sie sich ein entferntes System vor, in dem es keine elektrischen Netze gibt, und Sie müssen einen Sensor betreiben, der mit Strom betrieben wird. Es ist möglich, dass die Temperaturdifferenz Ihnen dank dieses thermoelektrischen Materials Strom liefert, der Sensor nimmt Messwerte auf, sendet sie an den Satelliten und schläft wieder ein.
Wir möchten jedoch mehr aus thermoelektrischen Generatoren, wie beispielsweise einer Maschine, herausholen. Stellen Sie sich vor, wenn wir ein Auto mit Benzin füllen, müssen wir uns darauf einigen, dass etwa 25% des Kraftstoffs verwendet wird, um das Auto in Gang zu halten, und alles andere.....