Machbarkeitsstudie zur Herstellung von Thermoelektrischen Generatoren auf Basis organischer Halbleiter (TEGOHL)

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) dienen der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie. Sie bedienen sich alternierenden p- und n-dotierten Halbleiterstrukturen, die einer Temperaturdifferenz ausgesetzt sind. Die Majoritätsladungsträger der dotierten Halbleiter diffundieren zur kälteren Seite des Bauelementes und rekombinieren dort. Auf diese Weise wird eine Spannung aufgebaut, die von außen abgegriffen werden kann.

TEGs werden heute bereits zur Stromgewinnung in der Raumfahrt eingesetzt, wo Temperaturgradienten zwischen einer radioaktiven Wärmequelle und der Umgebung genutzt werden. Ein weiteres wichtiges mögliches Anwendungsfeld ist die Geothermie. Aber auch bei den Automobilherstellern wird die Nutzung von Abgaswärme durch TEGs in Fahrzeugen diskutiert.
Die Effizienzen von TEGs sind derzeit allerdings noch moderat. Die relevante Größe zur  Charakterisierung von Materialien für TEGs ist die „Figure of Merit“ ZT = (S2*σ*T)/κ, in der σ die elektrische und κ die thermische Leitfähigkeit des dotierten Halbleiters beschreiben. Der Seebeck-Koeffizient S ist ein Maß für das Diffusionsverhalten der Ladungsträger, T die Arbeitstemperatur. Je größer ZT desto besser eignet sich das Material für den Einsatz in TEGs. Derzeit produzierte anorganische TEGs verwenden eine Materialkombination aus Bi2Te3 oder SiGe mit einem ZT ≈ 1.
Aufgrund ihrer geringen thermischen Leitfähigkeit könnten organische Materialien diese Anforderungen gut erfüllen, sofern ihre elektrischen Eigenschaften angepasst werden. In den letzten Jahren sind organische Halbleiter in vielen (opto)elektronischen Anwendungen (OLEDs, Photovoltaik, Detektoren, Laser, Transistoren) zu einer interessanten Alternative zu den etablierten anorganischen Halbleitern geworden, da sie mit großflächigen Druckverfahren und damit potentiell kostengünstig abgeschieden werden können. Organische Halbleiter werden kommerziell bereits in LEDs eingesetzt. Solarzellen aus organischen Halbleitern stehen kurz vor der Markteinführung.
Ziel des Vorhabens ist der Bau eines ersten OTEGs auf Basis geeigneter organischer Halbleiter. In einem ersten Schritt werden dazu Derivate des p-Halbleiters PEDOT:PSS vollständig auf ihre thermischen und elektrischen Eigenschaften untersucht werden. Nach erfolgter Charakterisierung der p-dotierten Halbleiter werden die Untersuchungen auf n-dotierte Halbleiter erweitert. Hier ist eine besondere Selektion der in Frage kommenden Materialien notwendig, da es bislang keine mit den p-Halbleitern vergleichbar leitfähigen n-Halbleiter gibt.