Der Seebeck-Effekt ermöglicht die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Für eine wirtschaftliche Nutzung dieses Effekts werden Werkstoffe benötigt, bei denen ein gegebener Temperaturunterschied im Material eine möglichst hohe elektrische Spannung erzeugt. Die Forschung arbeitet seit einigen Jahren intensiv an der Entwicklung solcher Werkstoffe. Eine hohe Verlässlichkeit und die Wiederholbarkeit von Messergebnissen an diesen Werkstoffen sind dabei unverzichtbar. Zuverlässige Messwerte sind darüber hinaus die Grundlage für das Verständnis der thermodynamischen Vorgänge.
Die Beurteilung des Wirkungsgrades der Energieumwandlung erfolgt auf der Grundlage der sogenannten thermoelektrischen Gütezahl (engl. figure of merit) ZT. In die Berechnung dieser dimensionslosen Kennzahl gehen der Seebeck-Koeffizient (S in [V/K]), die elektrische Leitfähigkeit (Sigma in [S/m), die mittlere absolute Temperatur (T in[K]) und die Wärmeleitfähigkeit (Lambda in [W/(m*K)]) ein.
Die Werte, die ein Messverfahren hervorbringt, sind immer mit einer bestimmten Unsicherheit behaftet. Die Berechnung von ZT erfordert die Messung der drei genannten thermoelektrischen Parameter. Die Messunsicherheiten der einzelnen Verfahren multiplizieren sich und führen zu einem Ergebnis, das stark vom tatsächlichen Wert abweichen kann.
Linseis bietet mit dem LZT-Meter bzw. dem LSR-3/4 eine Geräteplattform an, welche die einzelnen Größen gleichzeitig erfasst. Die intergierte Software korrigiert verfälschende Einflüsse und liefert neben den einzelnen Stoffwerten unmittelbar den ZT-Wert. Da der Seebeck-Koeffizient mit dem Quadrat in die Berechnung dieses Wertes eingeht, legt Linseis besonderen Wert auf die Genauigkeit dieser Messung.
Fehlerquellen bei der Messung des Seebeck-Koeffizienten
Für die Messung des Seebeck-Koeffizienten werden zwei Thermoelemente zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktpunkten einer einseitig geheizten Probe eingesetzt. Die Spannungsdifferenz wird zwischen zwei gleichpoligen Drähten der Thermoelemente gemessen. Die Messwerte ergeben eine Spannungs-Temperatur-Kurve. Der Seebeck-Koeffizient ist der Anstieg dieser Kurve.
Als Störeinflüsse für die Messung muss berücksichtigt werden, dass die Drähte in den Thermoelementen einen eigenen Seebeck-Koeffizienten besitzen. Außerdem tritt bei einer Temperaturdifferenz von 0 K häufig eine von Null verschiedene Spannungsdifferenz auf, die als gerätespezifische Offset-Spannung berücksichtigt werden muss. Diese physikalischen Einflüsse machen das Messverfahren kompliziert.
Da bei der Entwicklung der Linseis LSR-Plattform diese Einflussfaktoren sorgfältig berücksichtigt wurden, liefern die Messgeräte Werte mit einer hohen Wiederholbarkeit und Genauigkeit.
Weitere Ungenauigkeiten bei der Messung des Seebeck-Koeffizienten resultieren aus
- hohen Linearitätsabweichungen der Temperatur-Spannungs-Kurve,
- mangelnder Wartung der verwendeten Thermoelemente
und - einem schlechten (elektrischen) Kontakt zwischen den Thermoelementen und der Probe
Hohe Linearitätsabweichungen der Temperatur-Spannungs-Kurve lassen sich durch die Wahl der optimalen Temperaturdifferenz vermeiden.
Die Thermoelemente müssen regelmäßig kalibriert werden. Bei Verschmutzungen, Schäden durch chemische Reaktionen mit der Probe und starker Abnutzung müssen die Thermoelemente ausgetauscht werden.
Der Anpressdruck Thermoelement – Probe muss ausreichend hoch sein, darf aber nicht zu Verformungen der Probe führen.
