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High Temperature Thermoelectric Device Concept Using Large Area PN Junction

Chavez, Ruben

Thermoelektrische Elemente können zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Temperaturdifferenz verwendet werden. Traditionell basieren thermoelektrische Generatoren auf komplementär dotierten Halbleitern, welche elektrisch in Serie und thermisch parallel verschaltet werden. Bei dem herkömmlichen Aufbau werden auf der Kalt- und auf der Heißseite sowohl elektrische als auch mechanische Kontakte auf einem Keramiksubstrat realisiert. In dieser Arbeit wird ein großflächiger pn-Übergang zur elektrischen Verbindung der komplementären Halbleiter auf der Heißseite verwendet. Damit erübrigt sich dort das verbindende Substrat, und dessen Verzicht führt zu einer Steigerung der Heißseitentemperatur. Darüberhinaus werden Probleme in Hinblick auf die Stabilität von elektro-mechanischem Kontakt sowie chemische Wechselwirkungen stark reduziert. Es zeigt sich, dass ein derartiges pn-Übergangs-Thermoelektrikelement ein zweidimensionales Transportverhalten aufweist, welches sich nicht durch das sonst übliche, eindimensionale „Constant property“-Modell beschreiben lässt. Hier wird nun ein grundsätzliches physikalisches Modell vorgeschlagen und mittels Simulationen auf Basis der Onsager-Theorie überprüft. Die simulierten thermischen und elektrischen Flüsse zeigen insbesondere auf, dass elektrische Verluste durch Kreisströme innerhalb des pn-Elementes hervorgerufen werden. Ferner geben die Simulationen Hinweise auf mögliche geometrische Optimierungen zur Reduzierung der Verluste, und eine entsprechende positive Wirkung konnte von uns tatsächlich experimentell nachgewiesen werden. Wir verwenden nanostrukturiertes Silizium aufgrund der im Vergleich zu kristallinem Material verringerten thermischen Leitfähigkeit. Die nanostrukturierten Proben wurden aus Nanopartikeln in der Gasphase hergestellt und durch ein „Spark-Plasma“-Sinterverfahren verdichtet. Zusätzlich zu den nanostrukturierten Siliziumproben wurden pn-Übergänge durch Lasersinterung von dotierten Nanopartikeln auf einem entgegengesetzt dotierten Siliziumwafer bzw. durch Verschweißen komplementärer Wafer hergestellt. Ein geeigneter Messplatz wurde entwickelt und eingerichtet, und es wurde gezeigt, dass die nanostrukturierten pn-Übergänge wiederholte Heizzyklen mit einer Heißseitentemperatur von 780°C überstehen. Somit wurde gezeigt, dass thermoelektrische Elemente auf Basis von pn-Übergängen bei höheren Temperaturen verwendet werden können als herkömmliche Generatoren. Und trotz der internen Verluste zeigen pn-Übergangselemente bei hohen Temperaturen vergleichbare Ausgangsleistungen wie die konventionellen Generatoren.

Thermoelectric devices can be used to produce electricity given a temperature difference. Traditionally, thermoelectric devices are built by connecting complementary doped semiconductor materials electrically in series and thermally in parallel. In this architecture a ceramic substrate on both the cold and hot sides provides support for the electrical and mechanical connections. In this work, a large area pn junction is used to provide an electrical connection between the complementary semiconductors on the hot side. Having a pn junction means that the hot side electrical contacts are not required. The dismissal of the hot side substrate translates to higher hot side temperatures since problems associated with the stability of the electrical, mechanical and chemical properties on the hot side of the thermoelectric generator are largely reduced. A pn junction thermoelectric device is demonstrated to be a two dimensional transport device which cannot be described by the one dimensional constant property model commonly used in thermoelectrics theory. A basic working principle is proposed and further verified using simulations based on Onsager’s theory. The simulations describe the behavior of the pn junction device in terms of thermal and electrical fluxes and indicate that electrical losses arise due to internal current vortices within the pn thermoelectric device. The simulations also indicate that a geometrical optimization can be done to reduce such losses, and this we could verify experimentally. Nanostructured silicon is used as the primary material system due to its relatively low thermal conductivity with respect to crystalline silicon. The nanostructured samples are produced from nanoparticles produced from a gas phase, and densified by a spark plasma sintering method. In addition to the nanostructured silicon samples, pn junctions are produced by laser sintering of doped nanoparticles on a complementary doped silicon wafer, and by welding of complementary silicon wafers together. The metrology system is developed and it is shown that the nanostructured pn junctions can sustain repeated heating cycles with a hot side temperature of 780°C. It is shown that pn junction devices can be operated in higher temperatures than conventional devices and despite the internal losses of a pn junction device, it has comparable output power characteristic than a conventional device given high temperatures.

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Chavez, Ruben: High Temperature Thermoelectric Device Concept Using Large Area PN Junction. 2015.

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