abstract: Satisfying the ever-increasing demand for electricity while maintaining sustainability and eco-friendliness has become a key challenge for humanity. Around 70% of energy is rejected as heat from different sectors. Thermoelectric energy harvesting has immense potential to convert this heat into electricity in an environmentally friendly manner. However, low efficiency and high manufacturing costs inhibit the widespread application of thermoelectric devices. In this work, an inexpensive solution processing technique and a nanostructuring approach are utilized to create thermoelectric materials. Specifically, the solution-state and solid-state structure of a lead selenide (PbSe) precursor is characterized by different spectroscopic techniques. This precursor has shown promise for preparing thermoelectric lead selenide telluride (PbSexTe1-x) thin films. The precursor was prepared by reacting lead and diphenyl diselenide in different solvents. The characterization reveals the formation of a solvated lead(II) phenylselenolate complex which deepens the understanding of the formation of these precursors. Further, using slightly different chemistry, a low-temperature tin(II) selenide (SnSe) precursor was synthesized and identified as tin(IV) methylselenolate. The low transformation temperature makes it compatible with colloidal PbSe nanocrystals. The colloidal PbSe nanocrystals were chemically treated with a SnSe precursor and subjected to mild annealing to form conductive nanocomposites. Finally, the room temperature thermoelectric characterization of solution-processed PbSexTe1-x thin films is presented. This is followed by a setup development for temperature-dependent measurements and preliminary temperature-dependent measurements on PbSexTe1-x thin films. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Materials Science and Engineering 2020

Intermetallic clathrates have long been of interest for materials science research. The promise these materials hold for useful applications ranges from thermoelectrics to photovoltaics and optoelectronics to potentially ultra-hard materials and magnetic cooling applications. Their unique physical properties are intimately related to their intriguing structural properties. Thus a fundamental understanding of the chemistry and physics of inorganic clathrates offers the possibility to assess their potential for use in the various applications mentioned above. The purpose of the current work is to expand the current knowledge of the synthetic routes for obtaining clathrate materials, their structural, chemical, and physical properties, particularly those that from in the type I, II and VIII crystal structures. New synthesis routes are presented and used for preparation of single crystals of Na8Si46 and Na24Si136. Single-crystal X-ray analysis, and resistivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity measurements are presented. In addition, two "inverse" clathrates with compositions Sn24P19.3Br8 and Sn17Zn7P22Br8 have been characterized in terms of their transport properties. Since the magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect is a topic of great interest, type VIII Eu8Ga16Ge30 clathrates are also explored in terms of their application for magnetic cooling.

Die Systeme CuBiQX (Q = S, Se; X = Cl, Br, I) konnten um zahlreiche Verbindungen erweitert werden. Den meisten dieser Materialien ist ein rigides Netzwerk der Anionenpolyeder um die Bismutkationen gemein. Der Majorität der Verbindungen ist außerdem zumindest eine lokale Beweglichkeit der Kupfer(I)-Ionen immanent. Diese konnte sowohl mittels isotroper Verfeinerungen als auch durch harmonisch und anharmonisch verfeinerte und mittels JPDF zusammengefasste Elektronendichten nachgewiesen werden. Hieraus waren Berechnungen der Potentiale, der Potentialbarrieren und deren Fehler möglich.

Thermoelectric generators (TEGs) are currently a topic of interest in the field of energy harvesting for automobiles. In applying TEGs to the outside of the exhaust tailpipe of a vehicle, the difference in temperature between the hot exhaust gases and the automobile coolant can be used to generate a small amount of electrical power to be used in the vehicle. The amount of power is anticipated to be a few hundred watts based on the temperatures expected and the properties of the materials for the TEG. This study focuses on developing efficient heat exchanger modules for the cold side of the TEG through the analysis of experimental data. The experimental set up mimics conditions that were previously used in a computational fluid dynamics (CFD) model. This model tested several different geometries of cold side sections for the heat exchanger at standard coolant and exhaust temperatures for a typical car. The test section uses the same temperatures as the CFD model, but the geometry is a 1/5th scaled down model compared to an full-size engine and was fabricated using a metal-based rapid prototyping process. The temperatures from the CFD model are validated through thermocouple measurements, which provide the distribution of the temperatures across the TEG. All of these measurements are compared to the CFD model for trends and temperatures to ensure that the model is accurate. Two cold side geometries, a baseline geometry and an impingement geometry, are compared to determine which will produce the greater temperature gradient across the TEG. / Master of Science

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung und der Untersuchung der Materialeigenschaften des thermoelektrischen Materials Ag1-xPb18Sb1+yTe20 (englisch Lead-Antimony-Silver-Telluride: LAST). Bei LAST handelt es sich um Bleitellurid mit geringen Anteilen von Silber und Antimon, welche teilweise gelöst den Gitterplatz von Blei substituieren (Einbau in PbTe-Matrix) bzw. Fremdphasen auf m- und nm-Skala bilden. Seine hohe thermoelektrische Güte wird dabei hauptsächlich der geringen thermischen Gitterleitfähigkeit zugeschrieben, die in ersten Veröffentlichungen mit dem Auftreten nanoskaliger, Silber- und Antimonreicher Einschlüsse und deren Funktion als Phononenstreuer erklärt wurde. Das durch Schmelzsynthese hergestellte Bulkmaterial wurde im Rahmen der Arbeit durch Gefügeabbildung und Elementanalytik untersucht. In Kooperation mit den Projektpartnern sollte daraus eine Korrelation von Struktur- und Funktionseigenschaften abgeleitet, sowie eine reproduzierbare Syntheseroute entwickelt werden. Die elektronenmikroskopische Abbildung der Mikrostruktur erfolgte dabei auf zwei Größenskalen. Auf der µm-Skala wurde die Oberfläche des Bulkmaterials auf Homogenität und Zusammensetzung sowie Anteil des Fremdphasenbestands untersucht. Trotz des sehr komplexen Phasenbestandes aufgrund des quaternären Phasendiagramms und der Vielzahl relevanter Syntheseparameter konnte ein Zusammenhang zwischen Zusammensetzung (Regulierung des Silber- und Antimonanteils bzw. dessen Verhältnis), Temperbedingungen und thermoelektrischen Eigenschaften hergestellt werden. Mithilfe des detektierten Phasenbestandes konnte die Existenz einer Mischungslücke im quasibinären Phasendiagramm 2PbTe-AgSbTe2 nachgewiesen werden. Dabei bilden die Zusammensetzungen zwei der ermittelten Fremdphasen die Phasengrenzen. Die beobachtete spinodale Entmischung erzeugte eine extrem hohe Grenzflächendichte und kann somit ebenfalls einen Beitrag zur Senkung der Wärmeleitfähigkeit liefern. Für die Analyse der Mikrostruktur auf nm-Skala wurden aus der LAST-Matrix mithilfe der fokussierten Ionenstrahltechnik elektronentransparente Schnitte gefertigt. Abhängig von Temperbedingungen und dem Verhältnis von Silber und Antimon wurden auch hier fremdphasige Einschlüsse entdeckt. Dabei konnte ein optimaler Temperbereich von 500 bis 550 °C (bezogen auf einen hohen Gütewert) mit dem Auftreten dieser Einschlüsse korreliert werden. Eine allgemeine, direkte Zuordnung des Vorhandenseins von Nanostrukturen zu guten oder schlechten thermoelektrischen Eigenschaften konnte im Allgemeinen jedoch nicht nachgewiesen werden. Vielmehr wurden deutliche Hinweise gefunden, dass auch die Anordnung von Punktdefekten (Blei-Substitution durch Silber und Antimon) und ggf. Agglomerate aus Punktdefekten in der LAST-Matrix eine Rolle bei der Senkung der Wärmeleitfähigkeit spielen. Im hochaktuellen Entwicklungsgebiet selbstorganisierender Nanostrukturen mit Auswirkungen auf thermoelektrische Eigenschaften wurden substantielle Fortschritte bei der Entwicklung geeigneter, LAST-basierter Thermoelektrika für mittlere Einsatztemperaturen erzielt. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen Optionen zur Erzeugung hocheffizienter thermoelektrischer Bauelemente auf, wie unter anderem die bestätigte Stabilität bis zu relativ hohen Einsatztemperaturen (> 500 °C) zeigt.

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A combustion chamber incorporating a high temperature porous matrix was design and tested. The effects and merits of combining combustion on porous media and catalytic enhancement were explored, in addition to the proof of concept of integrating these technologies with simple heat engines, such as thermoelectric generators, to generate efficient and reliable power. The direct observation of the flame during the combustion becomes possible due to a specially designed stainless steel chamber incorporating a quartz window where the initiation and propagation of the combustion reaction/flame was directly visible. The simple design of the combustion chamber allowed for a series of thermocouples to be arranged on the central axis of the porous media. With the thermocouples as output and two flow controllers controlling the volumetric flow of fuel and air as input, it was possible to explore the behavior of the flame at different volumetric flow ranges and fuel to air ratios. Additionally the design allowed for thermoelectric modules to be placed in the walls of the combustion chamber. Using combustion as a heat source and passive fins for cooling, the device was able to generate enough power to power a small portable electronic device. The effects of La-Sr-Fe-Cr-Ru based perovskite catalysts, on matrix stabilized combustion in a porous ceramic media were also explored. Highly porous silicon carbide ceramics are used as a porous media for a catalytically enhanced superadiabatic combustion of a lean mixture of methane and air. Perovskite catalytic enhancement of SiC porous matrix with La0.75Sr0.25Fe0.6Cr0.35Ru0.05O3, La0.75Sr0.25Fe0.6Cr0.4O3, La0.75Sr0.25Fe0.95Ru0.05O3, La0.75Sr0.05Cr0.95Ru0.05O3, and LaFe0.95Ru0.05O3 were used to enhance combustion. The flammability limits of the combustion of methane and air were explored using both inert and catalytically enhanced surfaces of the porous ceramic media. By coating the SiC porous media with perovskite catalysts it was possible to lower the minimum stable equivalence ratio and achieve more efficient combustion.

Thermoelektrika (TE) sind Materialien die Elektrizität aus Abwärme gewinnen können. Eine wichtige Kenngröße für die Effizienz, und damit die Anwendbarkeit, von TE ist ihre Gitterwärmeleitfähigkeit. In meiner Doktorarbeit habe ich die Invarianz dieser Größe im Kontext der Linear-Response Theorie (LR) bewiesen. Dies ermöglichte es, eine Korrektur der Boltzmann-Transport Gleichung (BTE) für die Gitterwärmeleitfähigkeit in kristallinen Materialien mittels LR herzuleiten. Diese Korrektur ist wichtig um zu beurteilen, wie genau die BTE die Wärmeleitfähigkeit eines Kristalls vorhersagen kann. Um die dafür notwendigen symbolischen Umformungen durchzuführen, habe ich ein Computer-Algebra System (CAS) entwickelt. Die Anzahl an Beiträgen zum finalen Resultat stellte sich als zu groß heraus um Grenzfälle zu analysieren oder prüfbare Approximationen herzuleiten. Aus diesem Grund habe ich alle Beiträge mit so wenigen Approximationen wie möglich ausgewertet. Dafür habe ich eine Software entwickelt, um diese Terme numerisch auszuwerten. Damit habe ich meine Korrektur für altbekannte wie auch vielversprechende TE ausgewertet, nämlich PbTe, Bi2Te3 , SnSe und B4 C. Zusätzlich habe ich MgO und KF untersucht. Das Resultat lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Korrektur zur BTE für die Gitterwärmeleitfähigkeit hat in keinem der untersuchten Materialien und bei keiner der simulierten Temperaturen einen nennenswerten Einfluss. Meine Untersuchung legt nahe, dass die BTE für eine große Bandbreite an Materialien sicher angewandt werden kann, auch besonders stark Anharmonische. Folglich ist diese Arbeit in Übereinstimmung mit der Literatur, dass die am stärksten anharmonischen Materialien genau die mit der niedrigsten Wärmeleitfähigkeit sind. Es scheint daher sinnvoll, dass sich zukünftige Forschung weniger auf die Herleitung solcher Korrekturen zur BTE als vielmehr auf die korrekte Berechnung des Phononpropagators in stark anharmonischen Materialien konzentrieren sollte. / Thermoelectrics (TE) are materials that can be used to generate electricity from waste heat. A key quantity to the efficiency, and therefore the applicability, of TE is the lattice thermal conductivity. In this work, I prove the invariance of the lattice thermal conductivity in the context of linear-response theory (LR). This invariance enables me to derive novel formulas for a correction to the widely used Boltzmann-transport equation (BTE) for lattice thermal transport in crystalline solids using LR. It turned out that these derivations cannot be performed by a human by hand, using the formalism I chose. To perform the necessary symbolic manipulations, I programmed a computer algebra system (CAS), that implements LR, starting from expectation values, over Feynman diagrams to mathematical formulas. The number of resulting terms turned out to be too large for an analysis of all limiting cases. Consequently, I aimed at evaluating all terms, with as few approximations as possible, to generate a simple, numerical result. To do so, I developed a software package to evaluate the formulas numerically without further approximation and applied it to long-serving as well as promising new TE, namely PbTe, Bi2 Te3 , SnSe, and B4C. Additionally I investigated MgO and KF. The result can be summed up as follows: The correction to the BTE for the lattice thermal conductivity has almost no influence in the investigated materials at any simulated temperature. My investigation suggests that the BTE can be used for a wide range of materials, including the most anharmonic ones. Consequently, this work is in agreement with the literature, that the most anharmonic materials are exactly those with the lowest lattice thermal conductivity. It suggests that future theoretic work on lattice thermal conductivity should focus to find the correct phonon-propagator of strongly anharmonic systems.