Thermoelektrische Ladungstrennung in p-n Übergängen und Nutzung des Effektes zur Verbesserung herkömmlicher thermoelektrischer Generatoren

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der grundsätzlichen Aufklärung des Phänomens der thermoelektrischen Ladungstrennung in einem p-n Übergang, welcher zusammen mit dem herkömmlichen thermoelektrischen Effekt in einem thermoelektrischen Generator (TEG) zu einer Verbesserung der Performanz führt. Für die Untersuchung wird ein zum konventionellen TEG alternativer Aufbau verwendet. Dabei werden die p- und n-Schenkel des TEGs in direkten Kontakt gebracht und bilden somit einen p-n Übergang. Die zusätzlich gewonnene elektrische Leistung des p-n TEGs wird durch die Trennung von thermisch generierten Ladungsträgern innerhalb der Raumladungszone, entlang des p-n Überganges, verursacht. Dieser Effekt konnte im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal experimentell nachgewiesen werden. Für die Untersuchungen wurde ein möglichst „ideales“ System aufgebaut und das Generationsvolumen, mittels eines intrinsischen Siliziumstücks „i“ in einer p‑i‑n Struktur erweitert. Mithilfe der im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Silizium p‑i-n Struktur konnte gezeigt werden, dass elektrische Leistung generiert wird, während der konventionelle Beitrag aus den p- und n-Schenkeln unterdrückt wird. Die in der i-Region thermisch generierten Ladungsträger werden innerhalb des vorhandenen elektrischen Feldes, zwischen dem p- und n-Gebiet, separiert. Das dafür erforderliche Ungleichgewicht wird hierbei durch die entlang des p-i-n Überganges anliegende Temperaturdifferenz verursacht. Mittels einer Abschätzung konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt eine beträchtliche zusätzliche elektrische Leistung generieren kann. Unter idealen Voraussetzungen konnte bei einer Temperaturdifferenz von 600 K eine Flächenleistungsdichte von 104 Wm-2 berechnet werden. Durch den direkten Vergleich der erzeugten elektrischen Leistung eines thermoelektrischen Generators auf Basis eines p-n Überganges mit der eines herkömmlichen TEGs, konnte erstmals experimentell nachgewiesen werden, dass die Performanz des p‑n TEGs für einen bestimmten Temperaturbereich, die des herkömmlichen TEG übertreffen kann. Die Ergebnisse konnten anhand von numerischen Simulationen erfolgreich verifiziert werden. Des Weiteren konnte das Verhalten der p-n TEGs mittels eines elektrischen Ersatzschaltbildes aus konzentrierten Elementen sehr gut wiedergegeben und aufgeklärt werden. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung des physikalischen Simulationsprogramms Atlas, dank der sehr genauen Übereinstimmung zwischen Mess- und Simulationsergebnissen, die Analyse der p-n TEGs sowie die Untersuchung des Einflusses von Materialparametern auf die Performanz der p-n TEGs. Weiterhin konnte anhand einer p-n Heterostruktur aus Antimontellurid und Bismuttellurid gezeigt werden, dass dieses Prinzip auch auf Systeme aus Heteromaterialien übertragbar ist.

In this work, a fundamental investigation of the phenomenon of thermoelectric charge separation within a p-n junction is carried out. This effect, together with the conventional thermoelectric effect in a thermoelectric generator (TEG), leads to an improvement in its overall performance.  For this purpose, an alternative design to the conventional TEGs is used. Hereby the p- and n-legs of the TEG are connected, thus forming a direct p-n junction. The additional electrical power of the p-n TEGs is caused by the separation of thermally generated charge carriers within the space charge region, along the p-n junction. This effect is experimentally verified for the first time within this work. For these investigations, an idealized system was fabricated within this work, where the generation volume was extended by an intrinsic silicon substrate "i" in a p-i-n structure. The fabricated p-i-n silicon structure is used to provide direct access to the electrical power generated by this effect and is demonstrated while suppressing the conventional thermoelectric contribution from the p‑ and n-legs. The thermally generated charge carriers in the i-region are separated within the electric field, between the p- and n-region. The required non-equilibrium condition is caused by the temperature difference along the p-i-n junction. An estimation demonstrated that this effect can generate a considerable additional electrical power. Under ideal conditions, a power density of 104 Wm-2 could be calculated at a temperature difference of 600 K. In this work it is demonstrated for the first time, that the experimental determined electrical power of a p-n junction TEG exceeds the determined performance of a conventional TEG within a certain temperature range. The results were successfully verified by numerical simulations. Furthermore, the behavior of the p-n TEG is reproduced and analyzed very precisely using an electrical equivalent circuit. In addition, the use of physical simulation program, such as Atlas, allows, the analysis of the p-n TEGs and the investigation of the influence of material parameters on the performance of the p-n TEG. Good agreement between measurement and simulation results was achieved and demonstrated. Furthermore, a p-n heterostructure of antimony telluride and bismuth telluride was used to show that this principle can also be transferred to systems made from hetero-materials.

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Maculewicz, F., 2021. Thermoelektrische Ladungstrennung in p-n Übergängen und Nutzung des Effektes zur Verbesserung herkömmlicher thermoelektrischer Generatoren. https://doi.org/10.17185/duepublico/73996
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