Elek­tri­sche Ener­gie mit­hil­fe ther­mo­elek­tri­scher Generatoren

Ther­mo­elek­tri­sche Gene­ra­to­ren, kurz TEGs, wan­deln Umge­bungs­wär­me in elek­tri­sche Ener­gie um. Sie bie­ten eine war­tungs­freie, umwelt­freund­li­che und aut­ar­ke Strom­ver­sor­gung für die ste­tig wach­sen­de Zahl von Sen­so­ren und Gerä­ten für das Inter­net der Din­ge (IoT) und eine Mög­lich­keit für die Rück­ge­win­nung von Abwär­me. Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­lern des Karls­ru­her Insti­tuts für Tech­no­lo­gie (KIT) haben nun drei­di­men­sio­na­le Bau­teil­ar­chi­tek­tu­ren mit neu­ar­ti­gen, druck­ba­ren ther­mo­elek­tri­schen Mate­ria­li­en entwickelt.
“Die­se Tech­no­lo­gie erlaubt es, ener­gie­aut­ar­ke Sen­so­ren für das Inter­net der Din­ge oder in Weara­bles, wie Smart­wat­ches, Fit­ness­arm­bän­der oder digi­ta­le Bril­len, ohne Bat­te­rien zu betrei­ben“, sagt Pro­fes­sor Uli Lem­mer, Lei­ter des Licht­tech­ni­schen Insti­tuts (LTI). Wei­ter­hin könn­ten sie in der Rück­ge­win­nung von Abwär­me in der Indus­trie und in Heiz­sys­te­men oder der Geo­ther­mie ein­ge­setzt werden.

Neue Druck­ver­fah­ren dank maß­ge­schnei­der­ter Tinten

„Kon­ven­tio­nel­le TEGs müs­sen durch rela­tiv auf­wen­di­ge Fer­ti­gungs­ver­fah­ren aus Ein­zel­tei­len zusam­men­ge­stellt wer­den“, so Lem­mer. „Um dies zu umge­hen, haben wir neu­ar­ti­ge druck­ba­re Mate­ria­li­en erforscht und neben zwei inno­va­ti­ven Ver­fah­ren sowohl orga­ni­sche als auch auf anor­ga­ni­schen Nano­par­ti­keln basie­ren­de Tin­ten ent­wi­ckelt.“ Mit die­sen lie­ßen sich kos­ten­güns­ti­ge, drei­di­men­sio­na­le gedruck­te TEGs herstellen.
Beim ers­ten Ver­fah­ren wird mit­tels Sieb­druck auf einer hauch­dün­nen fle­xi­blen Sub­strat­fo­lie ein 2D-Mus­ter aus ther­mo­elek­tri­schen Druck­tin­ten auf­ge­tra­gen und anschlie­ßend mit einer Ori­ga­mi-Tech­nik ein etwa zucker­wür­fel­gro­ßer, qua­der­för­mi­ger Gene­ra­tor zusam­men­ge­fal­tet. Die­se Metho­de haben die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler gemein­sam mit dem Inno­va­ti­on­Lab in Hei­del­berg und einem KIT-Spin-Off-Unter­neh­men ent­wi­ckelt. Bei dem zwei­ten Ver­fah­ren dru­cken die For­schen­den zuerst ein 3D-Grund­ge­rüst, auf des­sen Ober­flä­chen sie dann die ther­mo­elek­tri­sche Tin­te auftragen.

Kos­ten­er­spar­nis durch Drucktechnologien

Hoch­ska­lier­ba­re Her­stel­lungs­pro­zes­se wie das Dru­cken in einem Rol­le-zu-Rol­le-Sieb­druck oder in moder­ner addi­ti­ver Fer­ti­gung (3D-Druck) sei­en daher Schlüs­sel­tech­no­lo­gien, ist Lem­mer über­zeugt. „Die neu­en Her­stel­lungs­ver­fah­ren erlau­ben nicht nur eine kos­ten­güns­ti­ge und ska­lier­ba­re Pro­duk­ti­on die­ser TEGs, durch die Druck­tech­no­lo­gien lässt sich das Bau­teil indi­vi­du­ell an die jewei­li­gen Anwen­dun­gen anpas­sen. Wir arbei­ten mit Nach­druck dar­an, die gedruck­te Ther­mo­elek­trik kom­mer­zi­ell ver­füg­bar zu machen“, betont er.
Die Deut­sche For­schungs­ge­mein­schaft (DFG), das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF), der Gra­du­ier­ten­schu­le MERAGEM sowie die Deut­sche Bun­des­stif­tung Umwelt (DBU) haben die For­schung inner­halb des Exzel­lenz­clus­ters 3DMM2O unterstützt.