KIT / Energy Harvesting

Thermoelektrische Generatoren kostengünstig drucken

21. Januar 2021, 08:56 Uhr   |  Ralf Higgelke

Thermoelektrische Generatoren kostengünstig drucken
© Andres Rösch, KIT

Durch neu entwickelte Tinten und spezielle Produktionstechniken, wie die Origami-Technik, lassen sich kostengünstig thermoelektrische Generatoren für verschiedenste Anwendungen herstellen.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forschende dreidimensionale Bauteilarchitekturen mit druckbaren thermoelektrischen Materialien entwickelt. Diese könnten Meilensteine für die Nutzung kostengünstiger thermoelektrische Generatoren sein.

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) wandeln Umgebungswärme in elektrische Energie um. »Diese Technologie erlaubt es, energieautarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Wearables, wie Smartwatches, Fitnessarmbänder oder digitale Brillen, ohne Batterien zu betreiben“, meint Professor Uli Lemmer, Leiter des Lichttechnischen Instituts (LTI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Weiterhin könnten sie in der Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie und in Heizsystemen oder der Geothermie eingesetzt werden.

»Konventionelle TEGs müssen durch relativ aufwendige Fertigungsverfahren aus Einzelteilen zusammengestellt werden«, so Lemmer weiter. »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.

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 Spin-off des KIT entwickelt. Bei dem zweiten Verfahren drucken die Forschenden zuerst ein 3D-Grundgerüst, auf dessen Oberflächen sie dann die thermoelektrische Tinte auftragen.

Hoch skalierbare Herstellungsprozesse wie das Drucken in einem Rolle-zu-Rolle-Siebdruck oder in moderner additiver Fertigung (3D-Druck) seien daher Schlüsseltechnologien, ist Lemmer überzeugt. »Die neuen Herstellungsverfahren erlauben nicht nur eine kostengünstige und skalierbare Produktion dieser TEGs, durch die Drucktechnologien lässt sich das Bauteil individuell an die jeweiligen Anwendungen anpassen. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die gedruckte Thermoelektrik kommerziell verfügbar zu machen«, betont er.

Originalpublikationen

Rösch, A.G., et al.: Fully printed origami thermoelectric generators for energy-harvesting. npj Flex Electron 5, 1  (2021). DOI: 10.1038/s41528-020-00098-1

Mallick, M., et al.: Shape-Versatile 3D Thermoelectric Generators by Additive Manufacturing. ACS Energy Lett. 6, 85 (2021). DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02159

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