Die erfolgreiche Optimierung der Leistung von thermoelektrischen Materialien, die durch zT beschrieben wird, ist entscheidend für ihre Anwendung für das Wärmemanagement und die Kühlung von Leistungselektronik. Im Gegensatz zu Bulk-Proben bleibt die vollständige zT-Charakterisierung von Dünn- und Dickfilmmaterialien eine große Herausforderung. Dies ist insbesondere relevant für Filme, die durch elektrochemische Abscheidung synthetisiert werden, wo das Material auf eine elektrisch leitende Schicht abgeschieden wird. In dieser Dissertation habe ich ein Transport-Device für eine vollständige zTCharakterisierung von elektrochemisch abgeschiedenen Materialien entwickelt, während der Einfluss der elektrisch leitenden Schicht, sowie des Substrats beseitigt wird. Die zT-Charakterisierung erfolgt unter Verwendung eines auf einer freistehenden Membran suspendierten thermoelektrischen Materials innerhalb des entwickelten Transport-Devices, die durch eine Kombination von Fotolithografie und Mikrostrukturierungstechnik zusammen mit Ätzprozessen hergestellt wurde. Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit habe ich eine eindimensionale, analytische, stationäre Methode eingesetzt, welche mit Hilfe von dreidimensionalen Finite-Elemente-Simulationen bestätigt wurde. Darüber hinaus habe ich die temperaturabhängigen thermoelektrischen Eigenschaften von zwei Dickschichten mit Hilfe des entwickelten Devices untersucht und mit Bulk-Proben und Dünnfilmen verglichen. Auf diese Weise konnte die Validität des Transport-Devices nachgewiesen werden. Neben der Optimierung von mikro-thermoelektrischen Materialien, die mit dem Transport- Device charakterisiert werden, ist die Leistung von thermoelektrischen Devices von den Faktoren Design, Geometrie und Konstruktion beeinflusst. Daher habe ich den Einfluss der Geometrie auf die Leistung eines elektrochemisch hergestellten mikrothermoelektrischen Generators mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation untersucht.

Thermoelektrische Bauelemente ermöglichen die Erzeugung von Elektrizität aus überschüssiger Wärme, wie sie in großen Mengen in Geräten und Prozessen entsteht. Effiziente Thermoelektrika benötigen eine hohe thermoelektrische Gütezahl, die durch elektronische und thermische Transporteigenschaften der Materialien bestimmt wird. Die Dissertation untersucht zunächst die elektronischen Transporteigenschaften zweier hochaktueller thermoelektrischer Materialien, des Schichtsystems SnSe und einer komplexen Klathrat-Legierung. Deren theoretische Beschreibung benötigt unterschiedliche Methoden, die während dieses Dissertationsprojektes implementiert, erweitert oder entwickelt wurden. Die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit von SnSe wurde mittels der Boltzmann-Transportmethode in Relaxationszeitnäherung untersucht. Wir zeigen, dass nur bei gleichzeitiger Einbeziehung von thermischer Ausdehnung des Kristallgitters und Elektron-Phonon-Streuprozessen eine gute Übereinstimmung mit Experimenten erreicht wird. Die Eigenschaften des Typ-I-Klathrats Ba8AlxSi46-x sind sowohl von der Stöchiometrie als auch von der Al-Konfiguration, d.h. der Anordnung der Al-Atome im Wirtsgitter, abhängig. Für x=16 wurde der Grundzustand als hableitend bestimmt, während Konfigurationen mit höheren Energien metallisch sind. Wir erhalten eine zuverlässige Beschreibung der elektronischen, strukturellen und Transporteigenschaften von Ba8AlxSi46-x bei endlichen Temperaturen durch Mittlungen über Konfigurationen. Mittels einer neu entwickelten Methode zur Berechnung der temperaturabhängigen effektiven Bandstruktur von Legierungen beobachten wir ein temperaturbedingtes Schließen der Bandlücke bei x=16, was mit einem Phasenübergang von partieller Ordnung zu Unordnung bei 582K einher geht. Basierend auf Gedächtnisfunktions-Modellen präsentieren wir ferner eine neue Ab-initio-Methode zur Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit von Festkörpern mit einem Unordungspotential beliebiger Kopplungsstärke. / Thermoelectric devices convert heat into electricity, thus enabling the reuse of waste heat produced by all kinds of engines. To make this conversion process profitable, materials with a high thermoelectric figure of merit, ZT, are demanded. ZT depends on electronic and thermal transport properties. In this thesis, we study the electronic transport properties of two emerging thermoelectric materials, the layered material SnSe and a complex type-I clathrate alloy. Their reliable description requires different methodologies, that has been implemented, extended, or developed during this PhD project. For SnSe, the temperature dependence of the conductivity and the Seebeck coefficient is studied using the Boltzmann transport approach in the relaxation time approximation. We show that only by simultaneously accounting for thermal lattice expansion and electron-phonon coupling, a good agreement with experiment is reached. The properties of the type-I clathrate Ba8AlxSi46-x are determined, on the one hand, by its composition, and, on the other hand, by the configuration, i.e., the arrangement of the Al atoms in the host lattice. At the charge-compensated composition x=16, the ground-state configuration is found to be semiconducting, while configurations higher in energy are metallic. We obtain a realistic description of the electronic, structural, and transport properties of Ba8AlxSi46-x at finite temperature by using configurational thermodynamic averages. From a newly developed method to compute the finite-temperature effective band structure of alloys, we observe a temperature-driven closing of the band gap for x=16, which is concomitant with a partial order-disorder phase transition at 582K. We further present a novel ab initio memory-function approach for solids that enables the calculation of the electrical conductivity of solids in a disorder potential at arbitrary coupling strength. An application of the developed formalism is demonstrated with the example of sodium.