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Bestimmung der Effizienz thermoelektrischer Materialien mit der van-der-Pauw-Methode

08.11.2012

Die Effizienz thermoelektrischer Materialien hängt direkt mit ihrer Gütezahl Z zusammen, für deren Bestimmung man die spezifischen thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten κ und σ und den Seebeck-Koeffizienten α messen muss:

Üblicherweise kommen dabei drei verschiedene Messsysteme zum Einsatz, wobei allerdings aufgrund der verschiedenen Montagemöglichkeiten die Gefahr einer Beschädigung des Materials hoch ist. In einer kürzlich erschienenen Arbeit von de Boer und Schmidt [1] wurde ein neuartiges Verfahren zur Messung dieser drei Eigenschaften beschrieben, das in einem Messaufbau durchgeführt werden kann. Die dabei eingesetzte van-der-Pauw-Methode hat den zusätzlichen Vorteil, dass als dimensioneller Parameter nur die Dicke d der Probe bestimmt werden muss.

 

 

Bild 1: Messaufbau zur Bestimmung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und des Seebeck Koeffizienten von thermoelektrischem Material

 

Die thermoelektrischen Parameter werden unter Verwendung von drei Sensoren (im Bild S2, S3 und S4) und zwei Heizern (H2 und H4) gemessen. Sowohl die Sensoren als auch die Heizer sind Pt100-Widerstands-Elemente. Für die Messung der thermischen Leitfähigkeit κ wird mit H2 ein Wärmestrom Φ erzeugt, der zur Wärmesenke (Heat Sink) fließt. Mit den gegenüberliegenden Sensoren S4 und S3 wird die Temperaturdifferenz ΔT gemessen und der thermische Widerstand K12 aus dem Verhältnis ΔT /Φ berechnet. Analog wird eine Größe K14 bestimmt, indem man mit H4 heizt und mit (S3,S2) misst. Die thermische Leitfähigkeit κ erhält man dann aus der thermischen van der Pauw Gleichung:

exp(-πκdK12) + exp(-π κdK14) = 1

Der Wärmefluss durch das thermoelektrische Material erzeugt auch eine Potentialdifferenz zwischen den elektrischen Sonden E2 - E3, so dass in ähnlicher Weise auch der Seebeck-Koeffizient α gemessen werden kann. Mit den elektrischen Kontakten E1 bis E4 kann schließlich auch die elektrische Leitfähigkeit σ durch eine elektrische van-der-Pauw-Messung bestimmt werden. Insgesamt wiegt der große Vorteil, alle Parameter ohne Probenwechsel in einer Messreihe bestimmen zu können, die gegenüber speziellen Einzel-Messplätzen etwas geringere Messunsicherheit bei weitem auf.

 

[1]   Johannes de Boor, Volker Schmidt, “Efficient thermoelectric van der Pauw measurements”, Applied Physics Letters 99, 022102, 2011.

 

 

 

Ansprechpartner: B. Schumacher
Fachbereich 2.1:  Gleichstrom und Niederfrequenz