Thermoelectric Measurement technics. Alexandre Jacquot
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- Nadja Messner
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1 Thermoelectric Measurement technics Alexandre Jacquot
2 IMTEK / Fraunhofer IPM Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM Heidenhofstrasse Freiburg Thermoelektrische und integrierte Sensorsysteme TES Kontakt: alexandre.jacquot@ipm.fraunhofer.de
3 Dept. Thermoelectric and Integrated Sensor Systems TES A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-3 -
4 Inhalt der VL Thermoelektrik Einführung & Überblick Grundlagen Thermodynamik Materialien / Überblick Modultechnologie Mikrosystemtechnik Simulation Messtechnik Anwendungen I: Sensorik WeihnachTEn Experimentelles (optional) Anwendungen II: Wärmepumpe, Kühlung Anwendungen III: Generatoren Anwendungen IV: Generatoren TE - Theorie, Vertiefung Repetitorium A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-4 -
5 Thermoelectric Figure of Merit Thermal conductivity Bulk materials Thin films Nanostructures ZT 2 S T TEG, Peltier modules Miniatures devices Electrical conductivity Seebeck coefficient A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-5 -
6 Systematic vs. random measurement error Systematic random measurement errors Systematic errors are biases in measurement. Sources of systematic error may be imperfect calibration of measurement instruments, changes in the environment which interfere with the measurement process. If the cause of a systematic error can be identified, then it can usually be eliminated (modeling). Random measurement errors It is caused by inherently unpredictable fluctuations. Impact may be minimized by averaging / statistical analysis A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-6 -
7 Absolute vs. comparative measurement method Absolute measurement methods Method that are 100% traceable. Errors can be decrease theoretically to 0% Usually not very user friendly Comparative measurement methods Measurement method prone to not so small systematic errors (biases) But this systematic errors are corrected With a model of the measurement method By measurement of reference samples (samples of known properties) Usually not user friendly A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-7 -
8 Which came first? Comparative measurement methods Reference samples Accurate measurement results A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-8 -
9 Which came first? A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11-9 -
10 Which came first? Absolute measurement methods from Fraunhofer-IPM Dr. A. Jacquot Materialwissenschaftler Thermoelektrische Messtechnik Persönliche Kundenbetreuung
11 World wide For the Industry For the Universities IPM-SR5 Seebeck coefficient, electrical conductivity, High temperatures 3Omega Room Temperature ZTMeter-Materials (Bulk only) High temperatures And we do it with & for everybody S, ZTMeter for TE-Modules High temperature 3Omega K AUTOSCREEN Seebeck electrical conductivity, Room temperature, material screening
12 ZT ZT Thermoelectric Figure of Merit Where can I find gold nuggets? 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, T[K] Industries partner 1,8 n- type Materials (Ti 0.5 (Zr 0.5 Hf 0.5 ) 0.5 )NiSn Sb p-type Materials Ag ,6 0.5 Pb 6 Sn 2 Sb 0.2 Te 10 Zn CeFe 3.5 Co 0.5 Sb 4 -x Cd x Sb 3 12 AgPb 18 SbTe La 20 Ba 8 Ga 16 Ge 3-x Yb y Te 1,4 Zn 4 4 Sb Zintls 30 LaTe ,2 Bi 2-x Sb x Te 3 Ba BiSb Mg 2 Si 0.8 Sn 0.2 Si 0.80 Ge 1,0 8 Ga 18 Ge Bi 2 (Se,Te) 3 CoSb Pb 3 0,8 1-x Sn x Te 1-y Se y MnSi1.75 Si 0.80 Ge ,6 Pb 1-x Sn x Te 1-y Se y 0,4 Na x CoO 2 -FeSi 2 0,2 Mg 2 Si 0.7 Sn 0.3 0,0 Ca 3 -x Na x Co 4 O 9 -FeSi T[K] 2020 A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
13 ZT ZT Thermoelectric Figure of Merit which technology to use? 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, T[K] Industries partner 1,8 n- type Materials (Ti 0.5 (Zr 0.5 Hf 0.5 ) 0.5 )NiSn Sb p-type Materials Ag ,6 0.5 Pb 6 Sn 2 Sb 0.2 Te 10 Zn CeFe 3.5 Co 0.5 Sb 4 -x Cd x Sb 3 12 AgPb 18 SbTe La 20 Ba 8 Ga 16 Ge 3-x Yb y Te 1,4 Zn 4 4 Sb Zintls 30 LaTe ,2 Bi 2-x Sb x Te 3 Ba BiSb Mg 2 Si 0.8 Sn 0.2 Si 0.80 Ge 1,0 8 Ga 18 Ge Bi 2 (Se,Te) 3 CoSb Pb 3 0,8 1-x Sn x Te 1-y Se y MnSi1.75 Si 0.80 Ge ,6 Pb 1-x Sn x Te 1-y Se y 0,4 Na x CoO 2 -FeSi 2 0,2 Mg 2 Si 0.7 Sn 0.3 0,0 Ca 3 -x Na x Co 4 O 9 -FeSi T[K] 2020 A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
14 A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11 Gold nuggets
15 Truth, beauty and usefulness Industries partner A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
16 Calculable risks, good design and high demand Industries partner A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
17 Usefulness Peltier-cooler cooling and heating (heat pump) cooling of electronic compounds camping -cooler seat cooling in pasenger cars Thermogenerator space applications (Voyager 1+2, Cassini, Galileo, ) current key development: energy recovery in cars A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
18 Truth Objective Realität vs. Erscheinung A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
19 Truth Objective Realität vs. Erscheinung Expected value (puppet) Eine Abweichung ist: bei Messungen eine Differenz zum Erwartungswert oder einem Vergleichswert, die auf unvermeidliche zufällige oder systematische Ursachen zurückgeht, die Messabweichung Measured value Measuring chain You/me (experimenter) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
20 Truth Objective Realität vs. Erscheinung Expected value (puppet) Ascent to Sunlight Eine Abweichung ist: bei Messungen eine Differenz zum Erwartungswert oder einem Vergleichswert, die auf unvermeidliche zufällige oder systematische Ursachen zurückgeht, die Messabweichung Measured value Measuring chain You/me (experimenter) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
21 Thermoelectric Figure of Merit Thermal conductivity Bulk materials Thin films Nanostructures ZT 2 S T TEG, Peltier modules Miniatures devices Electrical conductivity Seebeck coefficient A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
22 MEASURING CHAIN 1. Sensors (thermocouples ) 2. Measurement configuration 3. Low level measuring devices (digital voltmeter ) 4. Algorithm Stability (temperature ) Data analysis more or less sophisticated (elimination of residual voltage ) Model (FEM, analytical), Calibration (only if necessary) 5. Presentation layer A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
23 Thermocouples theory and praxis Thermometer Thermoelectric cold plate Temperature reading (80 C) Temperature set (80 C) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
24 50.0 C Thermocouples theory and praxis Temperature reading (50 C) Temperature reading (80 C) Temperature set (80 C) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
25 Thermocouples theory and praxis Temperature reading (70 C) 70.0 C Temperature reading (80 C) Temperature set (80 C) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
26 Seebeck coefficient measurement (ULVAC ZEM 3) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
27 A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
28 Electrical conductivity [S/cm] Seebeck coefficient V.K -1 ] cm Beispiel systematischer Messabweichung T[K] 300 (a) 1000 (b) Seebeck coefficient [V/K] ZEM Measurement 1 in vacuum with 10% Helium46 ZEM Measurement 2 in vacuum with 10% Helium46 SR1 Measurement 1 in 10 mbar N Temperature [ C] ZEM Measurement 1 ZEM Measurement 2 SRX Measurement Temperature [ C] (c) a) Configuration for the measurement of the Seebeck coefficient of the ZEM3 and the IPM-SR1. b) Measurement of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity of nickel samples of different size done with the IPM-SR4 (rectangle labelled 1, 2 and 3). The filled squared (Burkov) and triangle (Beylin) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11 (d)
29 Andere Ursachen von Messabweichung Seebeck coefficient Potentiometrische Fehler Thermokraft des Kontakts Alterung der Thermoelementen Thermische Kontakte Restspannungen. T 0.. T 0 +e Electrical conductivity Homogenität der elektrischen und thermischen Kontakten A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
30 Andere Ursachen von Messabweichung Seebeck coefficient Potentiometrische Fehler Thermokraft des Kontakts Alterung der Thermoelementen Thermische Kontakte Restspannungen. T 0.. T 0 +e Electrical conductivity Homogenität der elektrischen und thermischen Kontakten These problems (except the problems related to thermal contact) can be minimized by using a more elaborate measurement configuration A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
31 MEASURING CHAIN 1. Sensors (thermocouples ) 2. Measurement configuration 3. Low level measuring devices (digital voltmeter ) 4. Algorithm Stability (temperature ) Data analysis more or less sophisticated (elimination of residual voltage ) Model (FEM, analytical), Calibration (only if necessary) 5. Presentation layer A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
32 ZEM3 Measurement configuration Hot Probe mv T3 V ~ mv T1 T2 Cold T1>>T2 DVM X mv (X+ ) mv = Zufallszahl! A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
33 ZEM3 Measurement configuration Probleme wenn, Probe 1. T 3 -T 1 ist klein mv 2. Alterung der Thermoelementen T3 V ~ mv T1 T2 T1>>T2 DVM X mv (X+ ) mv = Zufallszahl! A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
34 Better measurement configuration: Differential thermocouples Probe T3 µv T3 mv V µv V ~ mv T1 T2 T1 T2 T1~T2 DVM T1>>T2 DVM X µv (X+ ) µv = ~ µv X mv (X+ ) mv = Zufallszahl! A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
35 MEASURING CHAIN 1. Sensors (thermocouples ) 2. Measurement configuration 3. Low level measuring devices (digital voltmeter ) 4. Algorithm Stability (temperature ) Data analysis more or less sophisticated (elimination of residual voltage ) Model (FEM, analytical), Calibration (only if necessary) 5. Presentation layer A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
36 Algorithm (get rid of residual voltage) and presentation layer A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
37 Thermoelectric Figure of Merit Thermal conductivity Bulk materials Thin films Nanostructures ZT 2 S T TEG, Peltier modules Miniatures devices Electrical conductivity Seebeck coefficient A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
38 Was wollen wir messen? Spezifischer Widerstand [*cm] Rein materialabhängig Spezifische Leitfähigkeit [*cm] -1 l R / Für l=const, A=const. A Ladungsträgermobilität cm²/vs v : Geschw. pro Feldstärke E Ladungsträgerkonzentration p/n [cm] -3 Konzentration der LT, die am Stromfluss und Ladungstransport teilnehmen A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
39 Main problem by measurement of the electrical conductivity Homogenität der elektrischen Kontakten A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
40 The solution is named Van der Pauw Point contacts are homogeneous by definition R AB,CD =U CD / I AB A Strom I AB B D Spannung U DC C A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
41 The Van der Pauw method: measurement of the electric conductivity Point contacts are homogeneous by definition R BC,DA =U DA / I BC A Spannung U DA B Strom I BC D C A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
42 The Van der Pauw method: measurement of the electric conductivity d (must be thin) R AB,CD =U CD / I AB 1 / d 2ln 2 ( R AB,CD R BC,DA ) f R R AB,CD BC,DA R BC,DA =U DA / I BC A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
43 The function f R cosh R AB,CD AB,CD R R BC,DA BC,DA ln 2 f 1 ln 2 exp 2 f A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
44 Theoretische Grundlagen der Messungen der Ladungsträgerkonzentration (n,p) und Hall Konstant R H ) Hall-Effekt: Ladungsträger des Stromes unterliegen Lorentzkraft und werden abgelenkt F L q( v B) q E H Gleichgewichtsfall A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
45 Theoretische Grundlagen der Messungen der Ladungsträgerkonzentration (n,p) und Hall Konstant R H ) Nur Elektronen: n >> p j q nv mit Nur Löcher: p >> n j q nv mit R H Definition R H 1 q n 1 q p Falls n ~ p : 2 p p n RH p Auswertung schwierig! 2 n e( p nn) 2 I j q nv j bd F L +Def q v B v I bd R H q I bd R H E B H U b qe H H U H R H IB d
46 Theoretische Grundlagen der Messungen der Beweglichkeit m H ) Nur Löcher (Hypothese) e p Starting point 1/ e p 1 e p RH Ladungsträgermobilität cm²/vs v : Geschw. pro Feldstärke E A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
47 Measurement of the Hall constant Point contacts are homogeneous by definition Probenhalter R BD,AC (B=0)=U AC (B=0) / I BD (B=0) R BD,AC (B<>0)=U AC (B<>0) / I BD (B<>0) A Strom I BD B D Spannung U AC C R BD,AC =R BD,AC (B<>0) - R BD,AC (B<>0) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
48 Measurement of the Hall constant Nur Elektronen: n >> p j q nv mit R H Definition 1 q n U H R H IB d Nur Löcher: p >> n j q nv mit R H 1 q p R BD,AC = U H I Falls n ~ p : 2 p p n RH p Auswertung schwierig! 2 n e( p nn) 2 R H R BD, AC d B A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
49 Thermoelectric Figure of Merit Thermal conductivity Bulk materials Thin films Nanostructures ZT 2 S T TEG, Peltier modules Miniatures devices Electrical conductivity Seebeck coefficient A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
50 Wer recht erkennen will, muss zuvor in richtiger Weise gezweifelt haben. Aristoteles ( ), griech. Philosoph, A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
51 Measurement of the thermal conductivity Comparative methods Calculation of the thermal conductivity from the measurement values of the heat capacity and thermal diffusivity Thermal diffusivity (Temperaturleitfähigkeit) Heat capacity (Wärmekapazität) Absolute method 3Omega-method for the measurement of the thermal conductivity Bulk materials Thin Films 3Omega-method for the measurement of the heat capacity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
52 Measurement of the thermal conductivity Comparative methods Calculation of the thermal conductivity from the measurement values of the heat capacity and thermal diffusivity Thermal diffusivity (Temperaturleitfähigkeit) Heat capacity (Wärmekapazität) Absolute method 3Omega-method for the measurement of the thermal conductivity Bulk materials Thin Films 3Omega-method for the measurement of the heat capacity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
53 Calculation of the thermal conductivity Beschreibung der zeitlichen Veränderung der räumlichen Verteilung der Temperatur Die Temperaturleitfähigkeit ist definiert als: Die Temperaturleitfähigkeit a c P Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Dichte mit den physikalischen Größen: Wärmeleitfähigkeit λ, Dichte ρ und spezifischen Wärmekapazität c p. Sie hat die Einheit m 2 / s A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
54 Measurement of the thermal conductivity Comparative methods Calculation of the thermal conductivity from the measurement values of the heat capacity and thermal diffusivity Thermal diffusivity (Temperaturleitfähigkeit) Heat capacity (Wärmekapazität) Absolute method 3Omega-method for the measurement of the thermal conductivity Bulk materials Thin Films 3Omega-method for the measurement of the heat capacity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
55 Measurement of the thermal diffusivity Neueste Entwicklung von NETZSCH Tischgerät Temperaturbereich: -125 bis 1100 C NETZSCH LFA 457 Microflash
56 Measurement of the thermal diffusivity Die Vorderseite einer plan-parallelen Probe wird durch einen kurzen Laser- oder Lichtimpuls erwärmt Der Temperaturanstieg an der Rückseite wird mittels eines IR- Detektors gemessen A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
57 Measurement of the thermal diffusivity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
58 Measurement of the thermal diffusivity Zur Berücksichtigung des Wärmeverlustes von allen Oberflächen muss eine 2- dimensionale Wärmeflussgleichung gelöst werden (scheibenförmige Probe mit genau bekannter Dicke). Für dünne oder sehr gut leitende Materialien sollte die Länge und die Form des Laserpulses in die Berechung eingehen. Einbeziehung aller Messpunkte durch Benutzung einer nicht-linearen Regression verbessert die Genauigkeit. Alle genannten Punkte sind in der verbesserten Cape-Lehman-Analyse berücksichtigt A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
59 Measurement of the thermal diffusivity Ohne Wärmeverlustkorrektur Mit Wärmeverlustkorrektur A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
60 Measurement of the thermal diffusivity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
61 Measurement of the thermal conductivity Comparative methods Calculation of the thermal conductivity from the measurement values of the heat capacity and thermal diffusivity Thermal diffusivity (Temperaturleitfähigkeit) Heat capacity (Wärmekapazität) Absolute method 3Omega-method for the measurement of the thermal conductivity Bulk materials Thin Films 3Omega-method for the measurement of the heat capacity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
62 Heat capacity (Wärmekapazität) Introduction Differential-Thermoanalyse (DTA) Mit DTA lassen sich Wärmeumsätze bei physikalischen Umwandlungen (z. B. Modifikationsumwandlung, Verdampfung, Schmelze) und bei chemischen Reaktionen (z. B. Zersetzung, Wasserabspaltung) bestimmen, sowie Reinheitsuntersuchungen durchführen. Differential Scanning Calorimetry (DSC) DSC eröffnet sich die Möglichkeit, Wärmekapazitäten zu messen, reaktionskinetische Untersuchungen durchzuführen, sowie, anhand gemessener Daten, Phasendiagramme zu erstellen A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
63 Heat capacity (Wärmekapazität) Differential-Thermoanalyse (DTA) Als Vergleichssubstanz wählt man meist Stoffe, die im untersuchten Temperaturbereich dem thermischen Verhalten der Probe ähnlich sind, jedoch keine Peaks zeigen (Inertsubstanz). Eine Änderung der Temperaturdifferenz zwischen Probe und Referenz zeigt eine Änderung im thermischen Verhalten einer der beiden Substanzen an. Die DTA liefert lediglich die Differenztemperatur als Meßgröße. Nur ein Temperaturegelkreis
64 Heat capacity (Wärmekapazität) Differential-Thermoanalyse (DTA) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
65 Heat capacity (Wärmekapazität) Differential Scanning Calorimetry (DSC) Bei der DSC können Probe und Referenz stets auf gleicher Temperatur gehalten werden. Ein thermischer Effekt, sei er endotherm oder exotherm, wird dadurch kompensiert, daß die entsprechend kältere Seite während einer entsprechenden Zeit mit einer zusätzlichen Heizleistung versorgt wird. Hier ist also die Differenzheizleistung zwischen beiden Seiten das Meßsignal, wodurch die DSC auch als Dynamische Leistungs- Differenz-Kalorimetrie bezeichnet wird. Zwei ein Temperaturegelkreise
66 Heat capacity (Wärmekapazität) Differential Scanning Calorimetry (DSC) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
67 Heat capacity (Wärmekapazität) Differential Scanning Calorimetry (DSC) 1 Probe bewegt sich im Tiegel 2, 3,4 plötzliche Änderung des Wärmeüberganges zwischen Tiegel und Sensor 5 Eindringen von kalter Luft 6,7 elektrische Effekte (Entladungen, hochfrequente Störungen) 8 Änderung der Umgebungstemperatur (z.b. durch Sonnenschein) 9 Aufplatzen des Tiegels 10 periodische Verstopfung des Loches im Deckel 11 Abdampfen von Verunreinigungen
68 Heat capacity (Wärmekapazität) Differential Scanning Calorimetry (DSC) I. Temperaturkalibrierung II. Empfindlichkeitskalibrierung III. Rekalibrierung der Empfindlichkeit IV. Cp-Kalibrierung A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
69 Measurement of the thermal conductivity Comparative methods Calculation of the thermal conductivity from the measurement values of the heat capacity and thermal diffusivity Thermal diffusivity (Temperaturleitfähigkeit) Heat capacity (Wärmekapazität) Absolute method 3Omega-method for the measurement of the thermal conductivity Bulk materials Thin Films 3Omega-method for the measurement of the heat capacity A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
70 3Omega-method Bolometer 1) A bolometer (2b~10 µm, length ~ 5 mm) is made by photolithography I 0 cos(wt) 2b V 2) Alternating current drives the Bolometer Sample 3) The temperature oscillation is measure through the change of the electrical resistance of the bolometer 4) The amplitude of this oscillation is a function of the thermal properties of the sample Key advantages of the 3Omega-Method Simplicity of the measurement principle Traceability (interesting not only for the metrological institutes, NIST, PTB, NPL, LNE ) Possible to measure simultaneously, the Seebeck coefficient and the electrical conductivity Temperature range, price, versatility A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
71 3Omega-method Validation with fused silica our measurement. Supercond. Sci. Technol. 9 (1996) Heraeus fused silica datasheet A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
72 3Omega-method Bulk, Float glass, Quartz glass, thin polymer sheet Films, SiO 2, Polymer, nanostructured ErAs:InGaAlAs, Ge 2 Sb 2 Te 5, PbTe, (Bi,Sb) 2 Te 3 Superlattices (Si/SiGe, Si/Ge, Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 ) Structured bulk materials, filled alumna templates, porous silicon, Wires, Carbone nanowires Liquid, heat capacity of liquid polymer A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
73 3Omega-method Cross section A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
74 Cp [J.kg -1.K -1 ] 3Omega-method 900 Fused silica (3w@Fraunhofer-IPM) Literature (United Silica Products) Literature (Journal of Chemical Physics) Temperature [K] A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
75 Thermoelectric Figure of Merit Thermal conductivity Bulk materials Thin films Nanostructures ZT 2 S T TEG, Peltier modules Miniatures devices Electrical conductivity Seebeck coefficient A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/11
76 3Omega-method [ZT] A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
77 ZT 3Omega-method Temperatur [K] A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
78 ZT-Meter based on Harman s method A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
79 Harman s method Die Probe befindet sich zwischen zwei Elektroden (3) (1) (2) (1) und (2) : Elektroden (3) Probe A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
80 Harman s method Ein elektrischer Strom durch die Probe geschickt I
81 Harman s method Q P I T S Wärme wird an einem Kontakt erzeugt und zum I Anderen transportiert A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
82 Harman s method Thermische Leitfähigkeit der Probe Q P I T S K S T Wenn der stationäre Zustand erreicht ist, ist die transportierte I Wärme gleich der Wärme die in der Probe fließt A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
83 Harman s method Q P I T S K S T 1) Der Spannungs- Abfall V T zwischen den Elektroden wird im V T I stationären Zustand gemessen, während der elektrische Strom fließt A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
84 Harman s method 2) Die Stromquelle wird ausgeschaltet Vα 3) Der Spannungsabfall wird direkt nach dem Ausschalten der Stromquelle gemessen V 4) Berechnung von aus der Differenz von und V α V ρ V T A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
85 Harman s method Die Gütezahl ZT der Probe kann dann berechnet werden: mit: Z M ( S T S M ) 2 T V V α M : Seebeck-Koeffizient der Elektrode nur wenn gilt: Es gibt keinen Wärmeverlust durch Strahlung oder entlang der Elektroden Es gibt perfekte elektrische und thermische Kontakte Die Feldlinien des elektrischen Feldes sind parallel A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
86 Harman s method A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
87 Harman s method Measurement from 300K 500K ) A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
88 Harman s method Haupt-Schwierigkeiten bei Hochtemperatur Wärmeverlust durch Strahlung muß gering sein Bestenfalls hat die Probe ein kleines Seitenverhältnis (z.b. eine dünne Scheibe mit großem Durchmesser) 100 % Feldlinien des elektrischen Feldes müssen parallel sein Bestenfalls hat die Probe ein großes Seitenverhältnis Elektrische und thermische Randwiderstände L=10 mm T h =601 C 55 % 45 % T k =600 C 2R=9,8 mm Strahlung T 0 =600 C 1. Bestenfalls sind sie vernachlässigbar klein 2. Sie müssen zumindest bei der Berechnung der Figure of Merrit berücksichtigt werden A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
89 ZT-Meter (bulk materials) The First ZT meter of the world not based on Harmann- Method Bulk materials only Up to 600 C ZT measurement + access to single transport properties A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
90 Rohrofen ZT-Meter (bulk materials) Oberer Stempel Wärmestrommesser 1 Probe Wärmestrommesser 2 Unterer Stempel A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
91 ZT Thermal Conductivity [W.m-1.K-1] Seebeck Coefficient [µv/k] Electrical Conductivity [S/cm] Beispiel: spark plasma sintered Bi 2 (Te,Se) Temperature [K] Temperature [K] Temperature [K] Temperature [K] A. Jacquot / VL Thermoelektrik / WS 2010/
92 Thank you for your attention!
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