Entwicklung integrierter und flexibler Fertigungsprozesse für Thermoelektrische Mikro-Generatoren (MiTEG)

• Antragsteller: Dr. Uwe Pelz; Dr. Heiko Reith
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417306425

Thermoelektrische Mikrogeneratoren (µTEGs) sind in der Lage kleine Temperaturdifferenzen, z.B. zwischen der Außenseite eines warmen Maschinengehäuses und der Umgebungsluft, in elektrische Energie zu wandeln. Dieses sogenannte „thermoelektrische Energy Harvesting“ kann zur Energieversorgung energieautarker, eingebetteter Systeme, wie z.B. Internet of Things (IoT) Anwendungen oder Sensorknoten zum Umwelt-Monitoring genutzt werden. Beim Einsatz solcher autarker Funk-Systeme entfällt der übliche Wartungsaufwand, der durch lange Kabelbäume oder Batteriewechsel entsteht. Das vorliegende Projekt adressiert die fehlende Verfügbarkeit thermoelektrischer Mikro-Generatoren durch zwei komplementäre, modulare Ansätze zur kostengünstigen Fabrikation: a) die elektrochemische Abscheidung von metallischen Materialien mit hohen Leistungsfaktoren und b) Dispensierung/Druck nanostrukturierter thermoelektrischer (TE) Materialien in Form von Dispersionen und Pasten in skalierbare, vorstrukturierte Substrate. Die Verfahren werden zum Teil durch Sinterverfahren sowie thermische Nachbehandlungsverfahren ergänzt, um höchsteffiziente TE Materialien zu erhalten. Im Sinne eines modularen Fertigungsprozesses können die Verfahren auch kombiniert werden, was für die Kontaktierung der TE Materialien gezeigt werden soll. Mit dem vorliegenden Projekt werden hauptsächlich drei Ziele verfolgt: a) Untersuchung neuartiger bzw. optimierter thermoelektrischer Materialien mit hohen Leistungsfaktoren sowie Verfahren zu deren Abscheidung und Prozessierung zur Herstellung qualitativ hochwertiger Thermoschenkel; b) Entwicklung von effizienten, hinsichtlich der Materialwahl flexiblen und kostengünstigen Fertigungsprozessen für µTEGs; c) Demonstration von Anwendungsszenarien, als Vorarbeit für nachfolgende Transferprojekte mit Verwertungspartnern. Das Projekt basiert auf der langjährigen Erfahrung der beiden Antragsteller im Bereich der Thermoelektrik v.a. in Bezug auf elektrochemische Abscheidung von TE Materialien sowie Pasten-, Dispensier- und Mahlprozessen. Zudem stehen den Antragstellern die Fabrikations- und Messeinrichtungen der jeweiligen übergeordneten Professuren, sowie deren Know-How in umfassendem Maße zur Verfügung. Die langfristige Vision des Projektes ist eine kostengünstige Fertigung variabler, hocheffizienter µTEGs um den, zukünftig (potentiell) hohen, Bedarf an kleinen, wartungsfreien und universell einsetzbaren Energiequellen für IoT Anwendungen zu decken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Kornelius Nielsch; Professor Dr.-Ing. Peter Woias