Solare Thermokraft: Solar TEP

• Research unit: SFOE
• Project number: 100865

Key words (German)

TP0065;F-Industrielle Solarenergienutzung

Short description (German)

Solare Thermokraft: Solar TEP

Final report (German)

Die direkte und effiziente Umwandlung von thermischer (Solar)-Energie in elektrische Energie erfordert die Entwicklung thermoelektrisch aktiver p- und n- Halbleitermaterialien, die in Luft auch bei hohen Temperaturen stabil sind. Hochtemperaturwandlungen sind attraktiv, da die resultierende Thermospannung zwischen zwei Enden eines Thermoelektrikums proportional zur angelegten Temperaturdifferenz ist. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad für die Energiewandlung zu erzielen, sind Materialien erforderlich, die neben grosser Thermokraft und grosser elektrischer Leitfähigkeit eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Es konnte im Verlauf des Projektes gezeigt werden, dass keramische Materialien mit Perowskitstruktur diese Anforderungen erfüllen. In dieser Substanzklasse wurden an der Empa eine Vielzahl p-leitender und n-leitender Verbindungen entwickelt, welche je nach Zusammensetzung grosse Thermokraft mit sowohl positivem Vorzeichen, als auch mit negativem Vorzeichen aufweisen. Ihre sehr gute thermische Stabilität in Luft konnte in thermoelektrischen Testmessungen und thermogravimetrischen Experimenten verifiziert werden und zeigt, dass diese Substanzen für Anwendungen bei Temperaturen um 1000 °C hervorragend geeignet sind. Die thermoelektrischen Eigenschaften dieser Keramiken konnte u.a. durch strukturelle und morphologische Änderungen gezielt beeinflusst werden. Strukturelle Untersuchungen erfolgten sowohl an der Empa als auch an Grossforschungsanlagen mittels Röntgen- und Neutronendiffraktion, Transmissionselektronenmikroskopie, Synchrotronbasierte Absorptionsspektroskopie, und Ramanspektroskopie.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Weidenkaff,Anke
Robert,Rosa

Final report (English)

The direct and efficient conversion of concentrated solar radiation into electricity with high power output requires the development of thermoelectrically active p- and n-type semiconductors with similar materials properties which are stable in air at very high temperature. The only suitable materials to fulfil this task are high performance ceramics. We successfully developed and investigated novel perovskite-type transition metal- oxides as potential candidates for thermoelectric devices operating at high temperatures as they can possess large positive as well as large negative thermopower depending on their composition. The three parameters defining the thermoelectric figure of merit ZT are in most cases interdependent: The thermopower increases with increasing resistivity. The heat conductivity increases with electric conductivity. Therefore an optimum charge carrier concentration and mobility has to be defined, which depends on the substitution level, the spin states of the transition metals, the ligand field, i.e. the crystallographic structure, the valence states of the cations and ionic deficiencies. The tuning of the thermoelectric properties of the perovskite-type candidates is based on controlled anionic and cationic substitutions. The resulting products are characterised concerning structure and composition with diverse methods available at Empa and at large scale facilities including Xray and Neutron Diffraction, transmission electron microscopy, thermal analysis, synchrotron radiation based techniques (EXAFS, XANES, Diffraction) as well as Raman spectroscopy and tested concerning their thermoelectric activity in the novel thermoelectricity lab at Empa.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Weidenkaff,Anke
Robert,Rosa

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• Solar-TEP, Solare Thermokraft - Final report [PDF] 713 kB