Das Projekt "Si- und SiGe-Dünnfilme für thermoelektrische Anwendungen (SiGe-TE)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics,Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik durchgeführt. Ziel des Verbundprojektes ist die Erarbeitung von Grundlagen zur Realisierung effizienter thermoelektrischer Dünnschichtbauelemente auf Si-und SiGe-Basis, wobei Konzepte zur ZT-Erhöhung im Focus stehen. Im TV-3 wird die Anwendung von Versetzungsnetzwerken in dünnen SOI-Strukturen für Si-basierte thermolektrische Generatoren grundlegend erforscht. Die Eigenschaften von Netzwerken in Si führen u.a. zur Verringerung des Widerstandes und der Wärmeleitung. Hierdurch kann eine wesentliche ZT-Erhöhung von Si erreicht werden. Ziel ist es, eine Konzeption für einen Demonstrator vorzulegen, der sich auf dem Chip integrieren lässt. Die Arbeiten zu TV-3 verbinden die Kompetenzen von MPI Halle, BTU Cottbus und IHP Frankfurt (Oder) zur Halbleiter-Technologie einschliesslich Waferbonden, zum Bauelemente- und Schaltungsentwurf und zur Diagnostik. Die Arbeiten des IHP konzentrieren sich auf die Charakterisierung von Material und Teststrukturen, Funktionselementen sowie auf Beiträge zum Integrationskonzept. Es werden u.a. Verfahren der HL-Mikroskopie u. -Spektroskopie genutzt und an die Probleme angepasst werden. Dabei werden der Einfluss von Parametern (Struktur des Versetzungsnetzwerkes, Dotierstoffkonzentration, Leitungstyp usw.) auf ZT, Thermospannung und Wirkungsgrad untersucht. Besondere Berücksichtigung erfährt dabei - in Hinblick auf das Design der Funktionselemente und das zu erarbeitende Integrationskonzept - die Wechselwirkung zwischen Material und Technologie.
Das Projekt "Glancing Angle Deposition von Si-Ge-Nanosäulen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. durchgeführt. Im Teilvorhaben 'Glancing Angle Deposition von Si-Ge-Nanosäulen' sollen sowohl Säulen als auch andere Nanostrukturen (Chevrons, Spiralen) im Sandwichprinzip durch alternierenden Teilchenfluss von Si und Ge auf entsprechend vorstrukturierten Substraten unter den Bedingungen des streifenden Einfalls und der Rotation des Substrats gezielt deponiert werden. Dieses Verfahren erlaubt es periodisch angeordnete Strukturen auf vorstrukturierten Substraten abzuscheiden und zu dotieren. Durch Variation der experimentellen Parameter bei der Herstellung der Vorstruktur, der Deposition der Nanostrukturen und der thermischen Nachbehandlung sollen die thermoelektrischen Eigenschaften dieser Strukturen mit dem Ziel am Ende des Vorhabens das Design für ein thermoelektrisches Bauelement vorschlagen zu können, untersucht und optimiert werden. Für die Herstellung der Si- bzw. Si-Ge-Nanosäulen wird eine geeignete UHV-Anlage konzipiert, aufgebaut und betrieben werden. Mit dieser Anlage soll die Herstellung von Ge-Strukturen und von Si-Ge-Strukturen auf unstrukturierten und vorstrukturierten Substraten in Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen, der Strukturierung und der thermischen Nachbehandlung untersucht und hinsichtlich der thermoelektrischen Eigenschaften optimiert werden. Zur in-situ-Dotierung der Si-Ge-Nanosäulen mit n- oder p-Typ-Dotanden wird ein geeignetes Verfahren entwickelt. Parallel die Bedingungen aufgeklärt werden unter den eine Kontaktierung der Strukturen möglich ist.
Das Projekt "Si- und SiGe-Dünnfilme für thermoelektrische Anwendungen (SiGe-TE)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Halle-Wittenberg, Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften durchgeführt. 1. Vorhabenziel Die technologischen Grundlagen für effiziente thermoelektrische Dünnschichtbauelemente auf Silicium- und Germaniumbasis stehen im Fokus. Hierfür soll das Potential der Nanostrukturierung zur Realisierung von Si- bzw. Si-Ge-basierten Dünnschichten gezielt eingesetzt und transferiert werden. Die Herausforderung des Projekts besteht in der Messung der relevanten Transportgrößen, die den Gütefaktor bestimmen. Diese müssen für die Schichtstrukturen thermoelektrischen Si-Strukturen, die eine erhebliche Steigerung der Effizienz aufweisen und herkömmliche Materialien ersetzen können. 2. Arbeitsplanung Die umfassende und vergleichende thermoelektrische und strukturelle Charakterisierung der von den Projektpartnern hergestellten Si- und Si-Ge-Schichtstrukturen ist das zentrale Element des Teilvorhabens. Die Messergebnisse werden genutzt, um Schlussfolgerungen für die Optimierung der Herstellungsparameter bzw. die generelle Anwendbarkeit der Methode zu ziehen. Neben der Charakterisierung besteht der zweite Aufgabenkomplex im TV 4 in der Bereitstellung von lithographischen Strukturierungstechniken für die Verbundpartner zur Herstellung von Nanostrukturen. Es soll gezeigt werden, dass sich die Effizienz von thermoelektrischen Si-basierten Materialien durch eine Nanostrukturierung als Nanosäulen entsprechend vorliegender theroretischer Konzepte und erster Messungen wesentlich verbessern lässt. Es sollen Teststrukturen hergestellt werden, die als Basis für eine zukünftige Entwicklung...
Das Projekt "Si- und SiGe-Dünnfilme für thermoelektrische Anwendungen (SiGe-TE)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik durchgeführt. Arbeiten des MPI erfolgen in den Teilprojekten 1 und 3. Im Teilprojekt 1 werden Si/SiGe-Schichtsysteme bzw. Multischichten (Schichtperiode 10nm) hergestellt und charakterisiert. Die Proben stellen ein Modellsystem dar, aus welchem erste Elementkonzepte im Rahmen des Gesamtprojektes entwickelt werden. Im Teilprojekt 3 werden die außergewöhnlichen Eigenschaften von Versetzungsnetzwerken in Si u.a. zu einer Verringerung des spezifischen Widerstandes und zur Verminderung der thermischen Leitfähigkeit untersucht. Hierdurch kann für Si eine wesentliche Erhöhung von ZT erreicht werden, die die Verwendung als thermoelektrischer Generator ermöglicht. Im Teilprojekt 1 werden Probleme des MBE-Wachstums von Si/SiGe-Schichtsystemen analysiert und die Realstruktur der Schichten mittels elektronenmikroskopischer Methoden untersucht. Des Weiteren sollen erste thermoelektrische Messungen erfolgen. Proben werden anderen Projektpartnern zur detaillierten thermoelektrischen Charakterisierung zur Verfügung gestellt. Im Teilprojekt 3 konzentrieren sich die Arbeiten auf die Herstellung spezifischer SOI-Substrate, die Realisierung und Charakterisierung der Teststrukturen zur Analyse des Einflusses verschiedener Parameter (Dotierung, etc.) auf ZT sowie die Herstellung der Strukturen zum Funktionsnachweis eines Si-basierten thermoelektrischen Generators. In Zusammenhang mit den Partnern (BTU, IHP) wird ein Integrationskonzept erarbeitet.
Das Projekt "Si- und Si-Ge-Dünnfilme für thermoelektrische Anwendung (SiGe-TE)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Außenstelle Halle durchgeführt. Ziel des Verbundprojekts ist die Bearbeitung technologischer Grundlagen zur Realisierung effizienter thermoelektrischer Dünnschichtbauelemente auf Silizium- und Silizium-Germaniumbasis. Im Fokus stehen vor allem Konzepte, die durch geeignete Nanostrukturierungen den thermoelektrischen Gütefaktor ZT deutlich erhöhen. Im Teilvorhaben 'Aufbau- und Verbindungstechnik nanostrukturierter SiGe-Thermoelektrika' werden dabei die Fragen der erforderlichen Kontaktierung und Gehäusetechnologie betrachtet. Mittels thermischer Finite Elemente-Modellierungen wird zunächst der Entwurf geeigneter Testproben der Partner im Vorhaben unterstützt. Im weiteren sollen geeignete Kontaktmetallisierungen, Anschluss- und Verkapselungsmöglichkeiten identifiziert, evaluiert und deren Verhalten anhand von vereinfachten Teststrukturen im Vergleich zu bereits verfügbaren Referenzmaterialien untersucht werden. Die Resultate werden den Partnern im Projekt zur Verfügung gestellt, um geeignete Testobjekte aufzubauen. Für die Bewertung des Funktions- und Einsatzverhaltens der Testproben wird sich das Fraunhofer IWM-H auf die mikrostrukturelle und mikromechanische Bewertung der Kontaktsysteme konzentrieren.
Das Projekt "Poröses Silizium als Thermoelektrisches Material (PoSiTeM)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik durchgeführt. 1. Vorhabenziel Primäres Ziel der am MPI durchzuführenden Arbeiten ist die Weiterverarbeitung (Dotierung, Oberflächenpassivierung) des in Kiel hergestellten porösen Siliziums (PSi) bzw. porösen Silizium-Germaniums (PSiGe) im Sinne einer Steigerung der thermoelektrischen Effizienz. Hohe thermoelektrische Effizienz erfordert niedrige Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit wird durch die poröse Struktur von PSi und PSiGe sichergestellt. Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten wird das poröse Material am MPI gezielt nachdotiert und dessen Oberfläche passiviert. Die thermoelektrischen Eigenschaften sollen daraufhin am MPI gemessen werden. 2. Arbeitsplanung Die gezielte Nachdotierung von PSi und PSiGe soll per Eindiffusion eines Dotierstoffes mittels eines kommerziellen Spin-on-Dopants (SOD) realisiert werden. Das poröse Material wird mit SOD infiltriert und dann getempert. Auch Dotierung aus der Gasphase soll als Möglichkeit untersucht werden. Die innere Oberfläche des porösen Materials soll dann durch eine kurze Hochtemperaturoxidation in einem Rapid-Thermal-Annealer passiviert werden. Die thermoelektrische Charakterisierung umfasst die temperaturabhängige Messung der Wärmeleitfähigkeit (3-Omega Methode, vorhanden), der elektrischen Leitfähigkeit (4-Punkt Messung, vorhanden) sowie der Gütezahl ZT mittels der Harman-Methode. Zum Ende der Projektlaufzeit hin soll ein Demonstrator-Modul auf der Basis von PSi hergestellt werden.
Das Projekt "Poröses Silizium als Thermoelektrisches Material (PoSiTeM)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität zu Kiel, Institut für Materialwissenschaft, Lehrstuhl für allgemeine Materialwissenschaft durchgeführt. Die Arbeiten der Christian-Albrechts Universität Kiel umfassen im Wesentlichen die Herstellung von porösen Silizium und porösen Silizium-Germanium Schichten sowie die Vorcharakterisierung dieser Proben in Hinblick auf deren Morphologie. Ziel des Vorhabens ist die kontrollierte Herstellung von porösen Si bzw. SiGe Schichten mit definierter Strukturgrösse. Die mittlere Strukturgrösse ist maßgeblich entscheidend für die gleichzeitige Realisierung einer geringen Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Ein weiteres Hauptaugenmerk liegt darüber hinaus auf der Maximierung der Schichtdicke der porösen Schichten. An der Christian-Albrechts Universität sollen poröse Si bzw. poröse SiGe Schichten für die Weiterverarbeitung (Nachdotierung, Oberflächenpassivierung und Charakterisierung) am MPI Halle hergestellt werden. Die Herstellung der porösen Si bzw. SiGe Schichten geschieht mittels eines elektrochemischen Ätzprozesses ausgehend von Si bzw. SiGe Wafern als Ausgangsmaterial, ein Gebiet auf dem die Christian-Albrechts Universität über langjährige Erfahrung verfügt. Die mittlere Strukturgrösse der porösen Schichten ist ein Schlüsselparameter für deren thermoelektrische Eigenschaften. Sie lässt sich über die Dotierung des Ausgangsmaterials sowie die Ätzparameter einstellen. Der Herstellungsprozess soll zunächst in Hinblick auf die mittlere Strukturgrösse der porösen Schichten sowie deren Schichtdicke optimiert und daraufhin entsprechende Proben hergestellt werden.
Das Projekt "MAGMAN - Entwicklung thermoelektrischer Hochtemperaturmodule auf Basis der Silizide von Magnesium und Mangan mit neuen produktionstauglichen Verfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, Institutsteil Dresden durchgeführt. Ziel ist die Entwicklung von thermoelektrischen Modulen für die Erzeugung elektrischen Stromes aus Temperaturunterschieden im Bereich zwischen ca. 700 C und 250 C auf der Basis von n-Mg2Si1-xSnx und p-MnSi1.73-x. Die Auswahl fußt auf den bereits bekannten guten thermoelektrischen Eigenschaften, darauf, dass in der Literatur bereits prototypische Module beschrieben sind und auf der vorhandenen Erfahrung der Antragsteller mit Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffsysteme. Das System ist von besonderer technologischer Relevanz, da es mit der bereits vorhandenen Technologie auf Basis von (Bi,Sb)2(Te,Se)3 kombiniert werden kann, was den nutzbaren Temperaturgradienten vergrößert und den Wirkungsgrad erhöht. Die Zielstellung erfordert ein strukturiertes Vorgehen in enger Zusammenarbeit mit dem Industriebeirat. Arbeitspakete: AP 1: Erstellung Lastenheft; AP 2: Herstellung von Werkstoffpulvern und systematische Optimierung der Legierungszusammensetzung; AP 3: Materialcharakterisierung / Optimierung durch Wärmebehandlung; AP 4: Verfahrens- und Werkzeugoptimierung des Spark Plasma Sinterns; AP 5: Entwicklung geeigneter Aufbau- und Verbindungstechnik. Meilensteine: M1: Die Synthesen von n-Mg2Si1-xSnx und p-MnSi1.73-x in für thermoelektrische Module geeigneter Qualität (nach 6 Monaten Projektlaufzeit) M2: Die einzelnen Verfahren für die Herstellung von n- und p-Segmenten vorhanden (nach 9 Monaten) M3: Die Gesamtabfolge der Verfahren zur Herstellung von Segmenten als Gesamtprozess steht (nach 12 Monaten) M4: Die Entwicklung ohmscher Kontakte erfolgreich, Materialqualität auf mind. 75 Prozent ZT der Literaturwerte (nach 15 Monaten) M5: Entwicklung der Modultechnologie (AVT) unter Berücksichtigung der chemischen Empfindlichkeit der Materialien (Feuchte, Säuren) (nach 18 Monaten)
Das Projekt "MAGMAN - Entwicklung thermoelektrischer Hochtemperaturmodule auf Basis der Silizide von Magnesium und Mangan mit neuen produktionstauglichen Verfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik durchgeführt. Ziel des beantragten Projektes ist die Entwicklung von thermoelektrischen Modulen für die Erzeugung elektrischen Stromes aus Temperaturunterschieden im Bereich zwischen ca. 700 C und 250 C auf der Basis von Siliziden. Dazu müssen in diesem Projekt die thermoelektrischen Materialien, die Kontakttechnologie und die Aufbau- und Verbindungstechnologie entwickelt werden. Mit der Expertise des IFAM werden die thermoelektrischen Materialien entwickelt. Basierend auf den Erfahrungen der Modulentwicklung des IPM wird die Kontaktierungstechnologie und die Aufbau- und Verbindungstechnik von thermoelektrischen Silizid-Modulen entwickelt.
Das Projekt "Untersuchung einer thermoelektrischen Wärmepumpe für den Einsatz in Elektrofahrzeugen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Braunschweig, Institut für Thermodynamik durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes sollte erstmals untersucht werden, welches die energetisch optimalen Materialkombination der Komponenten thermoelektrischer Halbleiter, Sperrschicht und Lot darstellt. Die Identifizierung einer optimalen Materialkombination ist Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung aller folgenden Projektphasen. Ein weiteres Ziel des vorliegenden Projektes ist der Vergleich zwischen den momentan marktüblichen und etablierten Löttechniken und einem zu identifizierenden und charakterisierenden neuartigen Fügeprozess für thermoelektrische Bauteile. Im Hinblick auf eine mechanisch stabilere Verbindung bei ansonsten gleichbleibenden Materialeigenschaftenverspricht eine erfolgreiche Realisierung eines neuartigen Konzeptes, zum Beispiel des Klebens, ein sehr hohes Potenzial. Neben dieser neuartigen Fügemethode werden jedoch auch die konventionellen Lötprozesse genauer untersucht und im Rahmen der Möglichkeiten hinsichtlich ihrer Reproduzierbarkeit und Leistungsfähigkeit in mechanischer wie energetischer Sicht optimiert. Hierfür werden Schichtproben für detaillierte Parametermessungen und Module für Prüfstandmessungen hergestellt. parallel zu den zuvor genannten Projektzielen soll der Aufbau einer thermoelektrischen Wärmepumpe als Klimatisierungskonzept ein elektrifiziertes Fahrzeug erfolgen. Es gilt es, vorhandene Wärmepumpenkonzepte zu analysieren und ggf. zu übernehmen, und die neuen Komponenten darauf anzupassen. Hierbei sind Simulationen des ganzheitlichen thermoelektrischen Klimatisierungskonzepts Kernbestandteil der Untersuchungen. Abschließend sollte eine energetisch optimierte Wärmepumpe mit einer Heizleistung von ungefähr 6 kW bei einer zur Verfügung stehenden Kälteleistung von etwa 4 kW entwickelt werden. Die Identifizierung der dabei auftretenden Verluste erfordert eine detaillierte numerische Analyse. Die anspruchsvolle Modellierung ist außerdem die Grundlage zur Ermittlung des energetischen Optimums. (Text gekürzt)
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