Development of a thin-filmthermoelectric generator on the basis of optimised Full-Heusler Fe2VAl compounds

Abstract

Im Zuge dieser Dissertation wurden die thermoelektrischen Eigenschaften von vollständigen Heusler Verbindungen untersucht und optimiert. Zusätzlich wurde die thermoelektrische Gütezahl (figure of merit) ZT durch Dünnschichtverfahren gesteigert.Die hergestellten Materialien wurden dann auf ihre Einsatztauglichkeit in einem thermoelektrischen Generator (TEG) mit „FIRE“, eine Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik (CFD), analysiert.Die vollständige Heusler Verbindung Fe2VAl diente als Ausgangsmaterial. In einem ersten Schritt wurde die elektronische Zustandsdichte (eDOS) und die Bandstrukturmithilfe von Dichtefunktionaltheorie (DFT) analysiert; sie zeigte eine schmale, negative, indirekte Bandlücke von −0.0093. Anschließend wurden Fe2VAl Proben hergestellt, charakterisiert und mit der Literatur verglichen.Auf verschiedenen Orten des Kristallgitters von Fe2VAl wurden partielle Substitutionen mit unterschiedlichen Elementen durchgeführt und off-stöchiometrische Proben hergestellt, um die thermoelektrischen Eigenschaften weiter zu verbessern.Der temperaturabhängige Seebeckkoeffizient S(T), die thermische Leitfähigkeit\lambda(T) und der elektrische Widerstand \rho(T) der einzelnen Proben wurde gemessen und ZTmax = 0, 250 bei 323 K für Fe2V0,95 Ta 0,05Al0,9Si0,1 und ZTmax = 0,243 bei370K für [Fe2/3(V0,9W0,1)1/3]0,76Al0,24 konnten erreicht werden.Für ein besseres Verständnis der gemessenen physikalischen Größen wurden für Fe2V1-xWxAl, 0 <= x <= 0, 2, zusätzliche Hall-Effekt Messungen und DFT-Berechnungen der elektronischen und phononischen Eigenschaften durchgeführt. Die V/W Substitution führte zu einer wesentlichen Reduktion der thermischen Leitfähigkeit aufgrund von Gitterstörungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen atomaren Massen und Radien von Wolfram und Vanadium.Die vollständige Heusler Verbindung Fe2V0,8W0,2Al diente im Folgenden als Grundlage zur Herstellung dünner Schichten, aufgrund des hohen ZT = 0,2 bei Raumtemperatur und der einfachen Zusammensetzung. Die elektronischen Eigenschaften und thermische Leitfähigkeit der Schichten wurden experimentell ermittelt und weisen auf einen intrinsischen ZT Wert 5 hin, wenn Siliziumwafer als Substrat benutzt werden.Als letzter Schritt wurden die Eigenschaften unterschiedlicher Dünnschicht-TEGmit CFD-Simulationen evaluiert. Anschließend wurde ein Test-TEG mit einem Bulkmaterial mit einem positiven und einer Schicht mit einem negativen Seebeckkoeffizien thergestellt. Dieser erreichte ein Leerlaufspannung von 600mV, bei einer Temperatur von 600°C auf der heißen Seite und 30°C Umgebungstemperatur

In the course of this thesis, the thermoelectric properties of several full-Heuslerbulk materials were studied and subsequently their respective thermoelectric performance optimised; by thin-film preparation the figure of merit ZT was further improved. The capability of a thin-film thermoelectric generator (TEG), based on these materials, was analysed by computational fluid dynamics (CFD) simulations employing "FIRE" and compared to the output obtained experimentally.The full-Heusler compound Fe2VAl was selected as the base material and ina first step, the electronic structure in terms of the band structure and electronic density of states (eDOS) was analysed by means of density functional theory (DFT),revealing a very small negative indirect gap of −0.0093 eV. Afterwards, sampleswere synthesised, characterised and compared to literature data.To increase the thermoelectric performance, the band structure of the full-Heusler compound Fe2VAl was modified and the overall thermal conductivity was reduced by partial substitutions of elements, such as Fe2V11-xWxAl and by off-stoichiometry,such as [Fe2/3(V1-xWx)1/3]75+yAl25-y. The respective temperature dependent Seebeckcoefficients S(T), electrical resistivities \rho(T) and thermal conductivities \lambda(T)were analysed and a ZTmax = 0.250 at 323K for Fe2V0.95Ta0.05Al0.9Si0.1 and ZTmax = 0.243 at 370K for [Fe2/3(V0.9W0.1)1/3]0.76Al0.24 were found.Furthermore, ab initio calculations of the electronic and phononic structure aswell as Hall measurements were carried out for Fe2V1-xWxAl, 0 <= x <= 0.2, revealing a microscopic understanding of the observed experimental data. A substantial reduction of the lattice thermal conductivity could be accomplished, due to a creation of lattice disorder by means of a distinct different mass and metallic radiusupon the V/W substitution.The full-Heusler compound Fe2V0.8W0.2Al was selected as the base material for a thorough thin-film study, due to its simple composition and high ZT = 0.2 at room temperature. Thermal and electronic properties of thin-film Heusler alloys,prepared by magnetron sputtering, were characterised, revealing a high intrinsic ZT ~ 5, when sputtered onto undoped silicon wafer [3].Different types of thin film TEGs were analysed regarding their thermoelectric performance, by means of CFD simulations. In the end, a small-scale TEG was realised, consisting of a bulk p-leg and a thin-film n-leg, providing an open circuit voltage of 600mV at a hot side temperature of 600°C and an ambient temperature of 30°C.