Silizium-Nanodrähte wandeln Wärme in Strom

Thermoelektrische Module könnten Abwärme von Kraftwerken nutzen

Silizium-Nanodraht erzeugt Strom aus Wärme
Silizium-Nanodraht erzeugt Strom aus Wärme

Pasadena/Berkeley (USA) - Forscher suchen händeringend nach immer neuen Energiequellen. So erregt auch ein physikalisches Phänomen, über das Wärme direkt in Strom umgewandelt werden kann, zunehmendes Interesse. Bisher bestehen solche thermoelektrischen Module meist aus dem teuren Halbleiter Wismuttellurid. Mit Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent findet er höchstens Nischenanwendungen bei der Stromversorgung weit abgelegener Siedlungen ohne Netzanschluss. Doch nun berichten gleich zwei amerikanische Forschergruppen, dass auch das viel günstigere Silizium als Stromgenerator geeignet ist, in Form von Nanodrähten.

"Obwohl Silizium als Festkörper einen spärlichen thermoelektrischen Effekt zeigt, zeigen Areale aus Silizium-Nanodrähten ein vielversprechenderes Verhalten", schreiben Allon I.Hochbaum und seine Kollegen von der University of California in Berkeley. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, konnten sie den thermoelektrischen Effekt des Halbleiters mit Nanodrähten etwa um das 100fache steigern. Diese Strukturen mit Durchmessern zwischen 20 und 300 Nanometern zeigten eine deutlich reduzierte Wärmeleitung, wodurch die für die thermoelektrische Stromgewinnung notwendige Temperaturdifferenz entlang der Drähte deutlich erhöht werden konnte. Vergleichbare Ergebnisse erzielte auch die Gruppe um James R. Heath vom California Institute of Technology in Pasadena. Allerdings ordneten sie für ihr thermoelektrisches Modul dünnere und kantige Si-Nanodrähte mit bis zu 20 Nanometer Durchmesser auf einer isolierenden Siliziumdioxid-Unterlage.

Beide Ansätzen für eine Stromerzeugung aus Wärme basieren auf dem so genannten Seebeck-Effekt. Durch diesen entsteht in einem elektrischen Leiter elektrische Spannung, wenn zwischen zwei auseinander liegenden Kontaktpunkten eine Temperaturdifferenz herrscht. Verantwortlich sind Thermodiffusionsströme von Elektronen. Am wärmeren Ende des Modul haben die Elektronen eine größere Beweglichkeit als am kalten Ende. Weil sie sich dadurch besser verteilen können, nimmt die Elektronendichte im Vergleich zum kalten Ende ab. Wegen dieser ungleichen Verteilung wird eine elektrische Spannung aufgebaut, die so lange währt, bis die Temperaturdifferenz ausgeglichen ist.

In Festkörper-Strukturen von Silizium wird die essentielle Temperaturdifferenz allzu schnell durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Halbleiter ausgeglichen. Daher eignete sich dieses Material bisher kaum für den Aufbau von thermoelektrischen Elementen. Bei Nanodrähten aus dem gleichen Material ändert sich dies aber grundlegend. Gitterschwingungen in den winzigen Strukturen verhindern, dass die Elektronen die Wärme fast ungehindert transportieren können. Dadurch sinkt die Wärmeleitfähigkeit deutlich. Die Nanodrähte werden dabei fast so effizient wie das bereits genutzte thermoelektrische Material Wismuttellurid.

Bis thermoelektrische Elemente aus Silizium angewendet werden, um beispielsweise die Abwärme von Kraftwerken in Strom umzuwandeln, werden sicher noch einige Jahre vergehen. Doch zeigen diese beiden Studien, dass mit Nanostrukturen der thermoelektrische Effekt auch in anderen Materialien gesteigert werden könnte. "Die gezielte Gestaltung der Phonon-Hemmung könnte ein neues Werkzeug werden, um thermoelektrische Materialien zu verbessern", schreibt Cronin B. Vining in einem begleitenden Kommentar. Und wenn effizientere Werkstoffe vorliegen, könnte die Stromgewinnung aus der Wärme der Sonnenstrahlung sogar eine Alternative zu photovoltaischen Zellen sein.