Ein Forschungsteam der Pohang University of Science and Technology hat bedeutende Fortschritte bei der Verbesserung der Umwandlungseffizienz von Wärmeenergie in elektrische Energie erzielt. Der Schlüssel liegt in der Kontrolle winziger Defekte, sogenannter Sauerstoffleerstellen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden als Titelartikel in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht.

Das Team unter der Leitung von Professor Hyungyu Jin und Dr. Min Young Kim von der Fakultät für Maschinenbau am POSTECH arbeitete mit Professor Donghwa Lee und Professor Si-Young Choi von der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Professor Joseph P. Heremans von der Ohio State University zusammen.

Im Alltag geht viel Wärme verloren, beispielsweise durch heißen Dampf aus Fabrikschornsteinen, die Abwärme von Automotoren oder die von Smartphones und Computern erzeugte Wärme. Die Umwandlung dieser Abwärme in elektrische Energie wäre eine wirksame Lösung für Energieineffizienz und Umweltprobleme. In diesem Zusammenhang hat die thermoelektrische Technologie großes Interesse bei Wissenschaftlern geweckt. Sie wandelt Wärmeenergie durch Temperaturgradienten in elektrische Energie um. Die transversale thermoelektrische Technologie erzeugt einen Spannungsabfall senkrecht zur Wärmeflussrichtung. Dank ihrer einfachen Struktur und hohen Effizienz bietet sie vielversprechende Aussichten als umweltfreundliche Energietechnologie. Allerdings sind ihr die inhärenten Materialeigenschaften und ihr industrieller Anwendungsbereich begrenzt.

Das Forschungsteam unter der Leitung der Pohang University of Science and Technology konzentrierte seine Forschung auf Sauerstoffleerstellen – winzige Lücken, die durch fehlende Sauerstoffatome im Kristallgitter des Materials entstehen. Die Forscher fanden heraus, dass die präzise Kontrolle der Anzahl der Sauerstoffleerstellen die thermoelektrische Leistung deutlich verbesserte.

Im Experiment bereitete das Forschungsteam drei Proben mit unterschiedlichen Mengen an Sauerstoffleerstellen vor. Die Ergebnisse zeigten, dass die thermoelektrische Leistung der Probe mit der größten Menge an Sauerstoffleerstellen um 91 % verbessert war.

Dieses Phänomen lässt sich durch zwei Mechanismen erklären. Einerseits ist der interne Entropieunterschied umso größer, je mehr Sauerstoffleerstellen das Material aufweist. Dies kann dazu führen, dass die Ladung stärker entlang des Temperaturgradienten fließt, was die Effizienz der Stromerzeugung verbessert. Andererseits verzerren die Leerstellen die Kristallstruktur des Materials leicht, wodurch der ursprünglich direkte Ladungsfluss seitlich verlagert wird – ähnlich wie ein Autorad aufgrund eines seitlichen Drehmoments seine Richtung ändert. Dies verbessert letztlich den lateralen thermoelektrischen Wirkungsgrad deutlich.

Weitere Informationen: Min Young Kim et al., „Oxygen Vacancy Defect Engineering for Transverse Thermoelectric Enhancement: A Novel Intrinsic Approach Beyond Intrinsic Methods“, Advanced Science (2025)

Diese Forschung ist deshalb so bedeutsam, weil die deutliche Leistungssteigerung nicht durch die Entwicklung komplexer und teurer neuer Materialien, sondern durch die Kontrolle von Defekten in bestehenden Materialien erreicht wurde. Professor Jin sagte: „Diese Strategie lässt sich breit auf verschiedene thermoelektrische Materialien anwenden und macht die Energiegewinnungstechnologie effizienter und praktischer.“