Neue Materialkombinationen für thermionische Konverter

Um die ansteigende Energienachfrage zu bedienen und um Treibhausgasemissionen zu reduzieren, werden effizientere Methoden der Energieumwandlung benötigt. Thermionische Energieumwandlung ist ein vielversprechender Ansatz um erneuerbare Energie direkt von Abwärme zu generieren. Thermionische Energieumwandler (TEC) sind Wärmekraftmaschinen, die Wärme direkt von Hochtemperaturquellen in Elektrizität umwandeln, durch thermionische Ausstrahlung von Elektronen von einer heißen Elektrode (Kathode) ins Vakuum, die dann von einer kühleren Elektrode (Anode) eingesammelt werden. Diese sind höchst attraktiv wegen ihrer Kompaktheit und Skalierbarkeit. Außerdem ist die theoretische Effizienz von einem TEC (>50%) viel höher als die von anderen Festkörper-Technologien (z.B.: Thermoelektrika, typischerweise <10%). Jedoch die experimentell erreichten Effizienzen von TECs waren bisher eher niedrig (<15%) wegen Raumladungslimitationen und Mangel an Anodenmaterialien mit niedriger Austrittsarbeit (WF). Durch Anwendung von modernen Materialkombinationen und Wafer-Level Fabrikationsmethoden des 21ten Jahrhunderts, strebt dieses Projekt die Überwindung dieser Limitationen und das Erreichen einer Effizienz von 35% an. Dies würde TECs höchst attraktiv für Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, kleinskalige Leistungsanwendungen und als Vorschaltprozess für existierende Wärmekraftmaschinen machen. Während die früheren konventionellen thermionischen Architekturen auf teure Präzisionsserienanfertigung basiert haben, ist die moderne Mikro- und Nanofabrikation ein bewährter Weg für Parallelanfertigung mit hoher Präzision und niedrigen Kosten. Nanofabrikationstechniken werden dem Antragsteller Peter Schindler die Entwicklung von neuartigen TECs mit sehr hoher Effizienz ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen wird der Antragsteller seine Fachkenntnis in Halbleiterbearbeitung verwenden um das Folgende zu ermöglichen: (i) neue Anodenmaterialien mit niedriger WF und ihre Implementierung in eine TEC Architektur mit Mikrolücke um (ii) das Raumladungsproblem zu eliminieren und (iii) die TEC Kosten zu reduzieren durch Verwendung von modernen Mikro- und Nanofabrikationsmethoden. Zwei neue Ansätze für Materialien mit niedriger WF werden erforscht: Erstens, ein Effekt der bei der Oberfläche von Halbleitern unter Beleuchtung auftritt und zweitens, vorspannen von einem zweidimensionalen Material. TEC Architekturen mit Mikro-Vakuumlücke zwischen den Elektroden schwächt die Raumladung. Die größten Herausforderungen bei der Implementierung von neuen Anoden sind einerseits die Sicherstellung der Stabilität der Anode bei den hohen Betriebstemperaturen und andererseits die Vermeidung der Elektronenreflexion von der Anodenoberfläche. Die Kombination von neuartigen Materialien mit niedriger WF und der neuen TEC Architektur eröffnet, zum ersten Mal, den Weg in Richtung TECs mit hoher Effizienz, niedrigen Kosten und Skalierbarkeit von Watt bis Megawatt.

Renewable energy solutions are crucial to combat climate change and the resulting challenges. Converting heat to electricity is a promising avenue towards reducing the waste of energy and the subsequent reduction of carbon dioxide emissions. Thermionic energy conversion (TEC) is a process in which heat gets converted into electricity by thermionic emission of electrons from a heated electrode (cathode) that are collected at a cooler electrode (anode). Thermionic converters are highly attractive for their lack of moving parts, compactness, scalability, and a high theoretical conversion efficiency (>35%). However, the experimentally achieved efficiencies for TECs have been rather low (<15%) due to device limitations and lack of low work function anode materials. The work function is the fundamental surface parameter of a material that determines how easily electrons can escape into vacuum. During this Erwin-Schrödinger Fellowship at Stanford University and the University of Vienna, I focused on the discovery of new materials with ultra-low work functions for next-generation, high-efficiency TECs. By employing density functional theory, I predicted the work function of alkaline-covered semiconductors and experimentally verified an ultra-low work function of Cesium/oxygen-covered Gallium arsenide. Further reduction of the work function is achieved by shining a laser onto the semiconductor that induces an additional shift in the material's energy structure (called surface photovoltage effect) down to a record-low 0.7 eV. We applied this new concept to the anode of a prototype TEC to demonstrate its feasibility for future high-efficiency energy conversion applications. To increase the scope of my materials discovery goal, I focused on developing a high-throughput computational approach to screen a wide range of materials for potential low work function candidates. Facilitated by high-performance computing, this approach enabled me to generate a work function database of over 30,000 material surfaces. This surface property database forms the basis for a surrogate machine learning model that enables the prediction of the work function with high accuracy at a fraction of the computational cost. Using this data-driven approach, I screened a vast chemical space for material surfaces with extreme work functions and discovered over 100 new ultra-low and ultra-high work function material surfaces. Further, this statistically-driven model was a critical component for a new material screening approach that we designed to identify next-generation photocathode materials. The scientific achievements of this project pave the way towards the efficient screening of a wide range of possible materials for new low work function candidates for high-efficiency thermionic converters, electron emission devices, and photocathode applications.