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Präparation und Eigenschaften monolithisch gesinterter Silizium p-n Übergänge für thermoelektrische Anwendungen

Becker, André

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung eines stromunterstützten Sinterverfahrens zur Herstellung thermoelektrischer Bauteile (Current-Activated Preasure-Assisted Densification -CAPAD-, auch Spark-Plasma-Sinterverfahren - SPS- genannt). Während bisher Stromsintern nur zur Erzeugung thermoelektrischer Materialien verwendet wird, die in weiteren Arbeitsschritten zu thermoelektrischen Elementen oder Bauteilen weiterverarbeitet werden, wird hier als besondere Idee die monolithische Integration eines p-n-Übergangs direkt während des Sintervorgangs verfolgt. Dies dient dem Ziel die schwierige elektrische Kontaktierung an der Heißseite des herkömmlichen Generators zu umgehen. Das neue Konzept ist bisher nur theoretisch diskutiertes. Die zugrunde liegende Idee ist die, dass ein Temperaturgradient entlang des p-n Übergangs verläuft, sodass einerseits eine Thermodiffusion auf der Grundlage des Seebeck-Effektes der jeweiligen Majoritätsladungsträger erfolgt, andererseits Ladungsträger im p-n Übergang thermisch generiert und getrennt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung inwieweit p-n Übergänge für die thermoelektrische Energieumwandlung genutzt werden können. Die Studie wird an p-n Übergängen aus versinterten nanokristallinem Silizium durchgeführt. Für die Dotierung wird Bor und Phosphor verwendet, wobei die Partikelsynthese in einem Plasmareaktor bzw. einem Heißwandreaktor stattfindet. Die unterschiedlich dotierten Pulver werden in einem Graphittiegel zu gleichen Anteilen in zwei Lagen übereinander geschichtet. Durch einen Stromsinterprozess wird die Pulverschüttung in eine feste Struktur überführt, wobei ein elektrischer Strom durch die Pulverschüttung geleitet wird. Der Prozess findet bei 1150°C statt, wobei Ströme in der Größenordnung von 0,1 bis 1kA fließen. Der Einfluss des Peltier-Effektes auf die Wärmeverteilung in der Probe beim Stromsinterprozess wird experimentell und theoretisch herausgearbeitet und analysiert. Es zeigt sich, dass aufgrund der hohen elektrischen Ströme, der Peltier-Effekt einen dominanten Einfluss auf die Temperaturverteilung in der Probe hat und sich damit auch auf die Homogenität der physikalischen Eigenschaften der Probe auswirkt. Mit Hilfe einer ortsaufgelöste Messung des Seebeck-Koeffizienten über dem p-n Übergang wird der Übergangsbereich zwischen den unterschiedlich dotierten Arealen analysiert und ein Modell der Ladungsträgerverteilung unter Berücksichtigung des Sinterprozesses erarbeitet. Die Untersuchungen kommen zu dem Schluss, dass während des Sinterprozesses benachbarte unterschiedlich dotierte Partikel miteinander verschmelzen, wobei es zu einer Kompensation von Ladungsträgern kommt. Die thermoelektrischen Eigenschaften des p-n Übergangs wird mit Hilfe einfacher Ersatzschaltbilder untersucht und mit einem eigens gebauten Messplatz überprüft. In einem beschränkten Temperaturbereich von 30 bis 90°C wird eine elektrische Spannung am kalten Ende des p-n Überganges gemessen. Der Betrag der gemessenen Spannung ist linear zur angelegten Temperaturdifferenz. Durch eine Metallisierung am warmen Ende kann die Thermospannung verbessert werden. Abschließend wird mit den gesammelten Erfahrungen ein Demonstrator gebaut und dessen Funktion nachgewiesen.

The presented work deals with the application of a current assisted sintering process to prepare a thermoelectric device (Current-Activated Preasure-Assisted Densification -CAPAD-, also known as Spark Plasma Sintering -SPS). So far CAPAD has been used to produce thermoelectric materials which were processed in additional steps to thermoelectric devices. In this work, the discussed idea is based on a monolithic concept including a p-n junction which is directly processed during the sintering. The idea is motivated in order to avoid complicated electrical contacts at the hot side of a conventional thermoelectric generator. The concept has been discussed in literature theoretically only. The main idea is to use a temperature gradient along the p-n junction in order to achive thermodiffusion of the majority charge carriers on the basis of the Seebeck effect. On the other hand, thermally generated charges might be seperated inside the space charge region. In the study, nanocrystalline silicon is used to accomplish experiments. The silicon nanoparticles were sinthesized seperately in a microwave plasma reactor and a hot wall reactor using boron and phosphorous for p and n-doping. Before sintering, the different kinds of powder were stacked into a graphite crucible. To produce the p-n junction a double layer system of the p-doped and the n-doped powder is created. Using a current-activated preassure-assisted densification process the powder is transformed into a bulk material with a p-n junction. During the process the electric current flows through the powder. The process runs at a temperature of 1050°C. The electric current ranges from 0.1 kA to 1kA. The influence of the Peltier effect on the heat distribution of the sample is analyzed theoretically and experimentally. Due to the high electric current, the Peltier effect has a major impact on the temperature distribution. Therefore, the Peltier effect affects the homogeneity and the physical properties of the sample. Seebeck microscopy allows the analyzis of the transition of the differently doped regimes. A model, considering the sintering process, which describes the charge carrier distribution across the junction will be presented. The investigations conclude with the idea, that heated particles melt, intermix and solidify. Thus, new particles are formed. While the neighbouring particles are melted, dopants of the different partilces mix and compensate for each other. Therefore the charge carrier concentration of the new formed particle is the average of the former particles. The thermoelectric properties of the p-n junctions will be studied with simple equivalent circuits. They will be validated with a self-made measurement setup. In a small temperature intervall ranging from 30 to 90°C the electric voltage will be measured at the cold side of the p-n junction. The absolute value of the voltage is linear to the applied temperature difference. With a metallization, the thermovoltage can be improved. Finally, the collected information and ideas will be used for a demonstrator device in order to experimentally prove the concept.

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Becker, André: Präparation und Eigenschaften monolithisch gesinterter Silizium p-n Übergänge für thermoelektrische Anwendungen. 2013.

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