Skutterudit

Aufgrund ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit und eines hohen Seebeck-Koeffizienten sind kubische Skutterudit-Materialien der Form (Co,Ni,Fe)(P,Sb,As)3 potentielle Kandidaten für hohe ZT-Werte. Ungefüllte Skutterudite auf CoSb3-Basis besitzen den Nachteil einer von Haus aus hohen Wärmeleitfähigkeit, die den ZT-Wert erniedrigt. Diese Materialien beinhalten jedoch Lücken, in die Ionen mit geringer Koordinationszahl (typischerweise Seltenerdmetalle) eingesetzt werden können. Diese ändern die Wärmeleitfähigkeit, indem sie Quellen für Gitter-Phonon-Streuung erzeugen und erniedrigen aufgrund ihrer Gitterstruktur die Wärmeleitfähigkeit, ohne die elektrische Leitfähigkeit zu erniedrigen.

Es kommt das Konzept des sog. "Phonon-Glass-Electron-Crystal" (kurz PGEC) zum Tragen. Hierbei wird ein Material beschrieben, welches sich gegenüber Ladungsträgern ideal leitend wie ein Kristall verhält. Gegenüber den Wärme transportierenden Phononen verhält es sich jedoch stark streuend wie in einem Glas.

Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit und ZT-Wert von La0.9CoFe3Sb12

Die Auswirkung einer in La0.9CoFe3Sb12 eingeführten Nanopartikelschicht zur Wärmeleitfähigkeitsverminderung wurde bis 550°C untersucht.

Die Wärmeleitfähigkeit (l) wurde mittels der vorab in der DSC 404 F1 Pegasus® bestimmten spezifischen Wärmekapazität (cp) berechnet.

Die Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit wurde durch Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit gemäß des Wiedemann-Franz-Gesetzes und durch Abzug von ltotal bestimmt.

Bei 452 °C erreicht ZT sein Maximum; das 5 Gew.-%-Nanokomposit zeigt den höchsten ZT-Wert mit einer Verbesserung von nahezu 15 % gegenüber der Referenzprobe ohne Nanopartikel (orange gestrichelt). Diese Ergebnisse zeigen, dass die in die bereits optimierten Skutterudit-Systeme eingeführten Nanopartikel die Wärmeleitfähigkeit weiter reduzieren und somit den ZT über einen weiten Temperaturbereich verbessern können.

 

Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit und ZT-Wert von La0.9CoFe3Sb12Kristallgitter-Wärmeleitfähigkeit und ZT-Wert von La0.9CoFe3Sb12