Thermoelektrische Generatoren, kurz TEGs, wandeln Umgebungswärme in elektrische Energie um. Sie bieten eine wartungsfreie, umweltfreundliche und autarke Stromversorgung für die stetig wachsende Zahl von Sensoren und Geräten für das Internet der Dinge (IoT) und eine Möglichkeit für die Rückgewinnung von Abwärme. Ein Kriterium dabei ist, dass diese TEGs oftmals sehr klein sein müssen. Dazu haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun eine dreidimensionale Bauteilarchitekturen mit neuartigen, druckbaren thermoelektrischen Materialien entwickelt. Diese könnten einen Meilenstein für die Nutzung kostengünstiger TEGs darstellen. „Thermoelektrische Generatoren können thermische direkt in elektrische Energie umwandeln. Diese Technologie erlaubt es, energieautarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Wearables, wie Smartwatches, Fitnessarmbänder oder digitale Brillen, ohne Batterien zu betreiben“, sagt Professor Uli Lemmer, Leiter des Lichttechnischen Instituts (LTI) des KIT. Weiterhin könnten sie in der Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie und in Heizsystemen oder der Geothermie eingesetzt werden.
Mittels Nanopartikel zu gedruckten TEGs
„Konventionelle TEGs müssen durch relativ aufwendige Fertigungsverfahren aus Einzelteilen zusammengestellt werden“, so Lemmer. „Um dies zu umgehen, haben wir neuartige druckbare Materialien erforscht und neben zwei innovativen Verfahren sowohl organische als auch auf anorganischen Nanopartikeln basierende Tinten entwickelt.“ Mit diesen ließen sich kostengünstige, dreidimensionale gedruckte TEGs herstellen. Auf Basis der neuentwickelten, auf organische als auch auf anorganischen Nanopartikeln basierende Tinten, können die TEGs nun mittels zweier verschiedener Verfahren einfach gedruckt werden. Beim ersten Verfahren wird mittels Siebdruck auf einer hauchdünnen flexiblen Substratfolie ein 2D-Muster aus thermoelektrischen Drucktinten aufgetragen und anschließend mit einer Origami-Technik ein etwa zuckerwürfelgroßer, quaderförmiger Generator zusammengefaltet. Diese Methode haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT gemeinsam mit dem InnovationLab in Heidelberg und einem KIT-Spin-Off-Unternehmen entwickelt. Bei dem zweiten Verfahren drucken die Forschenden zuerst ein 3D-Grundgerüst, auf dessen Oberflächen sie dann die thermoelektrische Tinte auftragen.