Scalable Printed Thermoelectric Generators

Fortschritte in der modernen Elektronik haben den Energieverbrauch erheblich reduziert und ebnen den Weg für alternative Energiegewinnungsmethoden (engl. Energy-Harvesting-Methoden, EH) als Ergänzung zu herkömmlichen Batterien. Angesichts der Prognose, dass bis 2030 etwa 50% des globalen Energieverbrauchs als Wärme verschwendet werden, ist die Entwicklung von Technologien zum Energy Harvesting, die diese Abwärme in nutzbare Energie umwandeln können, entscheidend für die Bewältigung von Nachhaltigkeitsherausforderungen. Thermoelektrische Generatoren (TEGs) sind dazu die idealen Kandidaten, da sie den Seebeck-Effekt nutzen, um thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. ... mehrAllerdings sind die herkömmlichen Herstellungsverfahren für TEGs oft teuer und umweltschädlich und basieren auf seltenen anorganischen Materialien, wodurch ihre weitverbreitete Anwendung einschränkt ist.
Organische TEGs gewinnen als kostengünstige und umweltfreundliche Alternative zunehmend an Bedeutung, da organische Materialien gut löslich und reichlich vorhanden sind. Trotz umfangreicher Forschung zu den thermoelektrischen (TE) Eigenschaften organischer Materialien bleibt ihre praktische Anwendung in Energy-Harvesting-Systemen auf Machbarkeitsstudien im Labormaßstab beschränkt, sowohl aufgrund der Umweltinstabilität, insbesondere der n-Typ-Materialien, als auch aufgrund der insgesamt schlechten TE-Leistung im Vergleich zu anorganischen Materialien. Jüngste Fortschritte in der Materialforschung haben jedoch das Potenzial geschaffen, diese Materialien in anwendungsspezifischen Geräten einzusetzen, was einen wichtigen ersten Schritt in Richtung praktischer Anwendungen darstellt.
Diese Dissertation untersucht die Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung skalierbarer, kostengünstiger Fertigungsmethoden für organisch-anorganische TEGs und konzentriert sich auf den Übergang von Laborprototypen zu Großserienproduktionen. Zunächst wird eine skalierbare Methode zur Herstellung vertikaler organischer TEGs mit industriellen Verfahren vorgestellt, wobei die Zuverlässigkeit der Bauteile durch Finite Elementsimulationen validiert und die Skalierbarkeit durch den erfolgreichen Druck von bis zu 800 Thermoelementen demonstriert wird. Zweitens wird die Integration eines stabilen n-Typ Materials in eine skalierbare gefaltete TEG-Architektur präsentiert, deren Leistung mit numerischen Simulationen übereinstimmt. Diese Geräte zeigen Rekordleistungen im Bereich der organischen TEGs und bieten außergewöhnliche Stabilität in rauen Umgebungen, wodurch sie die Anforderungen für reale Anwendungen erfüllen. Schließlich wird die Integration eines anorganischen, skalierbaren Bauteils mit einer vertikalen Architektur und einer kostengünstigen, energiesparenden Startphase demonstriert. Das System steigert effektiv die von den gedruckten TEGs erzeugte Energie, um herkömmliche elektronische Geräte in praktischen Anwendungen zu betreiben.

Advances in modern electronics have significantly reduced power consumption, paving the way for alternative energy harvesting (EH) to complement traditional batteries. With an estimated 50% of global energy consumption expected to be wasted as heat by 2030, the development of energy harvesting technologies that can convert this waste heat into usable energy is critical to addressing sustainability challenges. Thermoelectric generators (TEGs) are the ideal candidates, as they use the Seebeck effect to convert thermal energy into electrical energy. However, conventional manufacturing processes for TEGs are often expensive and environmentally unfriendly and rely on inorganic materials that are rare, limiting their widespread adoption.
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Organic TEGs are emerging as a cost-effective and environmentally friendly alternative due to the good solution processability and abundance of organic materials in nature. Despite significant research into the thermoelectric (TE) properties of organic materials, their practical application within energy harvesting devices remains limited to proof-of-concept lab-scale devices, both for environmental instability, especially for the n-type materials, and absolute poor TE performance far behind the inorganic counterparts. However, recent advances in materials research have created the potential to implement these materials in application-specific devices, which is an important first step toward practical applications.
This thesis explores the development, characterization, and optimization of scalable, low-cost fabrication methods for organic-inorganic TEGs, focusing on the transition from lab-scale prototypes to large-scale production. First, a scalable method for fabricating vertical organic TEGs using industrial machinery is introduced, with device reliability validated through finite element simulations and scalability demonstrated by successfully printing up to 800 thermoelements. Second, the integration of a stable n-type ink into a scalable folded TEG architecture is presented, with performance aligning with numerical simulations. These devices exhibit record performance in the field of organic TEGs and deliver unprecedented stability in harsh environments, meeting the requirements for real-world applications. Finally, the integration of an inorganic scalable device with a vertical architecture and a low-cost, low-power start-up stage is demonstrated. The system effectively boosts the power generated by the printed TEG to drive conventional electronic devices in practical applications.