WO2013090961A2 - Thermo-elektrisches-element - Google Patents

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    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the invention relates to a thermoelectric element.
  • thermoelectric elements or thermoelectric generators (TEG) are based on the Seebeck effect, according to which there is a stress formation at a temperature difference along second interconnected conductors of different materials.
  • the Seebeck effect is considered herein to be known to those skilled in the art.
  • thermoelectric generators as a measuring point or measuring probe, for example in Zündschen of firing systems
  • a design is known as a planar element.
  • a semiconductor combination is used, structurally similar to a Peltier element.
  • the efficiency compared to thermocouples, based on metal pairings, can be significantly increased.
  • semiconductor elements in each case an n- and a p-type semiconductor, are connected in series in a known manner, the series connection bridge being arranged alternately opposite one another and thus forming a cold and a warm side of a Peltier element. When forming a temperature difference between see the cold and warm side of the Peltier element, it comes due to the Seeback- effect, at the connection points to a supply of electrical energy.
  • thermoelectric generators A disadvantage of such TEGs is that the Seebeck effect is based on a temperature difference, the deliverable voltage increases with increasing temperature difference up to a maximum value of the temperature difference, so that the largest possible temperature difference must be maintained for a reliable functioning of such an element. Therefore, one side, the cold side, usually cooled with quite expensive devices, for example by means of forced air cooling and possibly by means of water cooling. As a result of this additional expense, an economic energy recovery by means of TEGs is for the most part not given, since the expense for the required cooling makes up for the advantage of the energy gain.
  • Another field of application for thermoelectric generators is wherever process heat is present, which must be dissipated unused to the environment or via cooling systems.
  • thermoelectric elements have, as already described, the disadvantage that they are good for energy only in the presence of a temperature difference between the two flat sides, for energy, in Peltier elements up to 70 ° C temperature difference can be achieved / required. In the case of arrangement of known elements on a photovoltaic element, the energy gain obtained would be used up by the additional expense of cooling the thermoelectric element, so that economical use is essentially not possible.
  • thermoelectric element Due to the construction as a series connection of individual semiconductor blocks, the known, thermoelectric element, although a low electrical resistance, but at the same time also has a very low thermal resistance. As a result, when heat is introduced on one side, the heat flow penetrates the thermoelectric element very quickly and, without a sufficiently strong cooling of the opposite side, temperature compensation takes place, as a result of which the heat flow and thus also the energy conversion comes to a standstill.
  • the invention has for its object to provide a thin-film thermoelectric element (TEE), which has a higher efficiency compared to known TEEn and is simpler and cheaper to manufacture. Furthermore, it is the object of the invention to design the thermoelectric element in such a way that the temperature compensation in the element is reduced.
  • TEE thin-film thermoelectric element
  • thermoelectric element which comprises an electrically conductive carrier layer, an active element and an electrically conductive cover layer.
  • the carrier layer and the cover layer form the discharge electrodes, and furthermore the active element has a p-n junction from an n-type semiconductor to a p-type semiconductor.
  • the active element is arranged between the carrier layer and the cover layer and connected to these electrically conductive.
  • the n-type semiconductor is formed from the group of the cyanoferrate, which has the surprising advantage that with materials from this group, when arranged in a p-n junction, a conversion of heat into electrical energy takes place.
  • thermoelectric elements have a pn junction, wherein as semiconductor materials, for example, Bi 2 Te 3 , PbTe, SiGe, BiSb or FeSi 2 are known.
  • semiconductor materials for example, Bi 2 Te 3 , PbTe, SiGe, BiSb or FeSi 2 are known.
  • these elements are very expensive and, on the other hand, have a very modest conversion efficiency in the desired frequency range of the infrared radiation (IR).
  • IR infrared radiation
  • Si-based semiconductors are due to their band gap only for wavelengths greater than about 1.1 ⁇ largely unsuitable, GaSb-based semiconductors can be used up to about 1.5 ⁇ , but have a lower efficiency than Si semiconductors.
  • the active element is arranged on the carrier layer and on the active element, the cover layer is arranged, a protection of the active element is achieved by the two layers. Furthermore, by the two layers a good thermal Coupling to the environment or to a thermal energy source achieved, or a homogenization of the thermal energy input in the carrier or cover layer is achieved. This also results in a good derivation of the charge carriers generated by the active element.
  • a planar device is formed, which can be attached very well to a thermal energy source and thereby enables good thermal coupling with the energy source.
  • thermal energy can thus be removed from a source over a large area.
  • thermoelectric elements the semiconductive materials are arranged in blocks next to each other and each connected to the front side to form a series connection, wherein the respective end faces of all blocks form the two flat sides of such an element.
  • the structure of a known TEE is considered herein to be known to those skilled in the art.
  • this under inplane known arrangement has the advantage of low electrical resistance, but at the same time, the thermal resistance is low. Therefore, a temperature compensation occurs across the thickness of the semiconductor blocks, whereby the energy conversion disappears - since this is based on a temperature difference between the semiconductor junctions. Therefore, in such elements, a temperature difference across the thickness of the semiconductor blocks must be maintained - one side is usually quite expensive cooled, which significantly reduces the overall efficiency.
  • a claimed arrangement according to which the active element is designed as a layer structure (crossplane) now has the advantage that thereby the thermal resistance increases significantly over the thickness of the layer structure, so that it comes only to a low temperature compensation and the TEE thus manages without additional cooling ,
  • the visual structure is preferably constructed such that the p-type semiconductor is arranged on the carrier layer. Above this, the n-type semiconductor is arranged, on which the cover layer is arranged.
  • the n-type semiconductor is formed by hexacyanoferrate.
  • the n-type semiconductor is formed from iron (III) hexacyanoferrate (II / III) (FevCigNig).
  • Iron hexacyanoferrate is known as a dye under the name Prussian Blue. It is surprising that this dye is able to convert heat into electrical energy as an n-type semiconductor in a pn junction of an active element - similar to the Seebeck effect. Due to the cage-like structure of the hexa-cyanoferrate anion, when thermal energy is applied, the iron in the anion undergoes a disordered movement
  • Hole transporter acts, collected, on the electrically conductive carrier and cover layer, the generated charge carriers are removed from the n- and p-layer.
  • the n-type semiconductor is doped with at least one substance from the group of metal oxides, for example. With Ti0 2 , whereby an improvement in the conversion efficiency is achieved.
  • metal oxides all those substances which have a large band gap and / or a surface structure with large pores are advantageous, in order to achieve the greatest possible absorption of the impinging thermal energy (IR radiation).
  • the p-type semiconductor may be formed of a material of the group PEDOT: PSS, GaSb / PEDOT and Si.
  • PEDOT group PEDOT: PSS, GaSb / PEDOT and Si.
  • silicon nano Si or p-doped Si eg with boron is possible.
  • the carrier layer is formed by a transparent substrate, on which a transparent electrode is applied.
  • the carrier layer may be formed by glass, plastic, the transparent electrode is preferably designed as a TCO. forms.
  • the relevant wavelength range from 400 nm to 700 nm, is not attenuated by the carrier layer or the electrode, or only very slightly.
  • This design has the further advantage that the carrier layer can be formed electrically insulating and thus the attachment of the subject TEEs on a variety of materials, in particular electrically conductive, without additional protective measures is possible.
  • the carrier layer is formed by an elastically recoverable substrate
  • an element is created which can be attached to non-planar surfaces without the risk of damaging the TEEs.
  • the backing layer may be formed by a PET layer, but it is within the skill of the artisan to set the minimum bending radii of the material, the active element, and particularly those of the drain electrodes to prevent damage by deformation.
  • a development according to which the carrier layer and / or the cover layer is formed by a metallic conductor has the advantage that once a very good dissipation of the charge carriers is given. Furthermore, a metallic conductor usually also has a good thermal conductivity, whereby a temperature compensation over the carrier and / or the cover layer is possible and this therefore each is at a uniform temperature level.
  • the n-type semiconductor is applied directly to the carrier layer, which thus assumes the support function and charge carrier discharge.
  • the carrier layer is formed by a collector layer, for example. From tungsten carbide. This advantageously achieves that incoming IR radiation from the collector layer is converted into convective heat, which then acts on the active element.
  • the collector layer may be selectively formed, for example, for a wavelength range, so as to absorb as much energy as possible despite a low incident radiation power and pass it on to the active element.
  • the subject TEE can be used in an environment where only a portion of the infrared spectrum is present and the energy content in this spectral range for a direct action on the active element possibly too low.
  • a significant increase in efficiency can be achieved with a frequency-selective collector.
  • a development further consists in that the carrier layer and / or the cover layer is formed by an electrically conductive grid structure. This ensures that the proportion of the area of the active element is covered, which is covered by the discharge electrodes and thus more area is available for exposure to the IR radiation. Nevertheless, the derivation grid ensures sufficiently good dissipation of the charge carriers.
  • a protective layer is applied over the portions of the active element which are not covered by the carrier layer and the cover layer.
  • This protective layer can be formed, for example, by glass, by a plastic film which may be coated with aluminum or boron nitride to reduce the moisture and oxygen permeability, or by a metallized film. Just moisture and / or oxygen can cause slowly progressive, irreversible changes in the semiconductor materials of the active element, which can lead to failure of the active element.
  • a development may also consist in that a protective layer is applied on the side facing away from the active element of the carrier layer and / or the cover layer. Since the two layers form the discharge electrodes, it is advantageous for application safety if the protective layer is designed to be electrically insulating, for example as a plastic film made of PET, PVA, PVC, PC, to name only the most important materials. Furthermore, the protective layer may also be designed to protect the layers, and in particular the entire TEE, from the environmental influences prevailing at the point of use.
  • the active element of the subject thermal-electrical element has a thickness in the range of ⁇ to 1mm, preferably in the range of ⁇ to 50 ⁇ .
  • a TEE is created, which has a very low overall thickness - and thus low weight - and thus can be very well attached to existing devices.
  • One possible embodiment for increasing the electrical voltage delivered is that at least one further active element, again with a cover layer, is arranged on the cover layer.
  • the top layer of the lower TEEs is the carrier layer of the TEEs arranged thereon, it is thus a construction-related, hardwired series circuits of several TEEe, the electrical energy is tapped on the lower carrier layer and on the upper cover layer.
  • This arrangement corresponds to a stack construction, wherein the terms lower and upper, denote the arrangement of the respective element in this stack construction.
  • Another possible training to increase the energy output is that arranged one above the other, a repeated structure of carrier layer, active element and top layer is present.
  • An insulating layer may be arranged between the cover layer and the carrier layer of the next TEE arranged thereon, or the cover layer and / or the carrier layer may be designed to be electrically insulating in order to prevent an electrical connection of the TEEs arranged on one another.
  • no electrical interconnection is specified, in particular, the lead electrodes of the individual TEEe are led to the outside and thus arbitrarily externally interconnected, so that any desired series and / or parallel connection can be formed. In particular, so that the voltage level and the current output can be adapted to the desired application.
  • a multilayer system can be constructed in an advantageous manner, which has a plurality of active elements applied one above another or arranged one on top of the other. Since it is possible to produce the discharge electrodes in the printing process, it is also possible to print several TEEs one above the other. For example, arrangements with 10 or more layers are conceivable.
  • the object of the invention is also achieved by a power conversion element having a photovoltaic element and a subject thermoelectric element.
  • the photovoltaic element has an entrance side for optical energy and a base opposite thereto.
  • the thermoelectric element is arranged with its carrier layer thermally contacting on the base.
  • a photovoltaic element heats up very strongly as a result of the sun's rays, with this heating possibly occurring reduces the efficiency of the photovoltaic element, since the conversion properties are temperature-dependent.
  • the photovoltaic element is cooled and that further, the energy previously lost as waste heat is additionally converted into electrical energy. This achieves an increase in the overall efficiency of about 2% compared to a pure photovoltaic conversion.
  • the subject TEE provides about 1.2V
  • a silicon photovoltaic element typically supplies 0.5V
  • the discharge electrodes of the photovoltaic element and the drain electrodes of the thermoelectric element are connected via a voltage converter to an electrical contact portion.
  • this is provided with an element which provides electrical energy at a contact section.
  • thermoelectric element is arranged by means of a clamping device or a clamping device to the photovoltaic element.
  • thermoelectric element is arranged by means of an adhesive bond to the photovoltaic element. This can be done, for example, by an adhesive bond or by lamination, wherein a good thermal connection between the photovoltaic element and the TEE must be given.
  • a heat conducting means is arranged between the base surface and the carrier layer.
  • thermoelectric element an embodiment of the subject thermoelectric element
  • Fig.2. a further possible embodiment of the subject thermoelectric element
  • Fig. 1 shows an embodiment of the subject thermoelectric element 1, in which the active element 2 is applied to the carrier layer 3 and wherein on the active element 2, the cover layer 4 is arranged.
  • the active element 2 has an n-type semiconductor 5 and a p-type semiconductor 6, which adjoin one another at a p-n junction 7.
  • the closed circuit via the consumer 12 is thermal when exposed
  • thermoelectric element 1 electrical energy delivered so that it comes to a current flow 13 in the circuit and the electrical load 12 can be operated by converting thermal energy 8.
  • semiconductor blocks are arranged side by side, each two semiconductor blocks are frontally connected via a contact bridge to form a series circuit with each other.
  • the construction of a Peltier element is assumed to be known herein, in particular it is known that a Peltier element has a warm and a cold flat side, wherein the definition of the hot or cold flat side corresponds to the polarity of the electrical voltage at the terminal electrodes. Since a semiconductor has a low electrical resistance and in particular also a low thermal resistance, heating of the warm flat side results in a thermal energy balance over the Peltier element.
  • the temperature of the cold flat side will match that of the warm, whereby the energy conversion comes to a standstill.
  • the active element 2 is now formed in a so-called crossplane arrangement, that is, the pn junction 7 is in the path of the temperature gradient 10.
  • this arrangement increases the electrical resistance of the active element 2, it is particularly advantageous As a result, the thermal resistance increases significantly. This means directly that the thermal compensation currents are significantly limited in the active element 2, so that cooling of the cold flat side 14 is not required for the subject TEE.
  • thermoelectric element 1 is surrounded by a protective layer 15, the protective layer 15 being arranged at least in those sections in which the active element 2 is not protected from the carrier 3 or cover layer 4 protected against the environment.
  • the carrier 3 or cover layer 4 can also be formed by a grid electrode, so that then preferably the protective layer 15 is disposed on the discharge electrodes 3, 4. It is precisely the protection of the active element 2 that is important, since the semiconductors 5, 6 may chemically react on contact with atmospheric oxygen and / or with ambient moisture, as a result of which the desired material properties may possibly be lost.
  • the protective layer may be formed, for example, by glass, a plastic film which may be coated with aluminum or boron nitride to reduce the moisture and oxygen permeability, or by a metallized film.
  • this material forms a good mechanical protection of the thermoelectric element, but on the other hand does not interfere or only very slightly disturbs the entry of the thermal energy 8 into the warm flat side 9.
  • the n-type semiconductor 5 of the subject thermoelectric element is formed from the group of cyanoferrate, preferably ferric hexacyanoferrate (II / III).
  • This material is known as a dye Prussian Blue, which adjusts in a surprising manner when using this material as n-type semiconductor in a pn junction, a Seeback effect comparable effect, namely that a temperature effect on this combination of materials, a delivery of electrical energy via the discharge electrodes 26th results.
  • materials from the cyanoferrate group are very cost-effective and, in particular, can be processed very easily, for example with all those processes which are suitable for applying a paint to a substrate.
  • the p-type semiconductor 6 there are hardly any restrictions, since this only has to serve as an acceptor.
  • the p-type semiconductor will be formed of a material which, like the n-type semiconductor 5, can be easily processed and is adapted to the carrier 4 or cover layer 3 and the n-type semiconductor 5 with regard to the mechanical properties.
  • thermoelectric element 2 shows a further possible embodiment of the subject thermoelectric element 1.
  • an electrically conductive electrode 17 is arranged on a flat side 16 of the carrier layer 3, on which electrode 17 the active element 2 is arranged.
  • the p-type semiconductor 6 is arranged on the electrode 17, and the n-type semiconductor 5 is arranged thereon.
  • the cover layer 4 is arranged on the n-type semiconductor 5 as a discharge electrode.
  • the n-type semiconductor it is equally possible for the n-type semiconductor to be disposed on the carrier layer, then the n-type semiconductor and then the cover layer.
  • This embodiment has the advantage, for example, that the carrier layer 3 can be formed from an electrically insulating material, for example from a plastic film or glass, so that this TEE can be arranged directly on a thermal energy source with the carrier layer 3, without the user worrying about it the electrical insulation of the TEE 1 must make with respect to the thermal energy source.
  • This embodiment has the further advantage that the carrier layer 3 can serve as a support layer for the subsequently applied layer structure 2.
  • the thickness of the active element 2 is preferably less than 1 mm, such a thin element, even with the drain electrodes applied thereon, presents a problem for further processing of thermal energy sources such that such a thin element can be easily damaged .
  • the layer structure arranged thereon can be reliably protected against mechanical loads.
  • Fig. 3 shows a possible use of the subject, thermal-electrical element 1 in combination with a photovoltaic element 18.
  • the photovoltaic element 18 has a light entrance side 19, which is preferably aligned at an optimum angle to the sun. From the sun light 20 arrives as a mixture of different wavelengths on the light entrance side 19.
  • photovoltaic elements 18 it is known that they can convert only a portion of the incident light spectrum 20 into electrical energy.
  • photovoltaic elements made of polycrystalline or monocrystalline silicon achieve the highest degree of efficiency in comparison to other materials or photovoltaic technologies, they are limited to wavelengths smaller than 1400 ⁇ m from the usable spectral range.
  • thermoelectric element 1 preferably on the back 21 of the photovoltaic element 18, the waste heat of the photovoltaic element 18 is used and converted into electrical energy.
  • the present embodiment achieves a significant increase in the overall efficiency, but at a fraction of the cost of increasing the efficiency of a photovoltaic system. Make Elements 18 necessary.
  • the arrangement of the subject, thermal-electrical element 1 on a photovoltaic element 18 has the further advantage that the photovoltaic element 18 is cooled by the energy conversion, which is the operating parameters and thus the conversion efficiency of the individual photovoltaic Converter is beneficial. It is advantageous for a user if a power conversion element 22 provides its power at a single connection point.
  • a Voltage converter 23 is present. This is connected to the drain electrodes 24 of the photovoltaic element 18 and to the drain electrodes 26 of the thermoelectric element 1.
  • a voltage converter 23 is able in a known manner to combine the electrical energy levels of different electrical energy sources and to provide them at a common energy delivery section 25.
  • thermoelectric element 1 the layer thicknesses of the thermoelectric element 1, in particular the thickness ratios of the carrier 3 and cover layer 4 and of the active element 2 are exaggerated in the figure.
  • An optionally arranged above the layer structure protective layer is also not shown for purposes of illustration in the figure.
  • the thermoelectric element 1 is preferably attached with its carrier layer by gluing or laminating on the back 21 of the photovoltaic element 18, wherein in an adhesive bond, the adhesive must have a good heat conduction to a good thermal coupling of the TEEs to ensure the photovoltaic element 18.
  • a heat transfer medium is present, on the one hand to improve the temperature transport and possibly compensate for existing, small bumps of the back 21 and a good concern of the carrier layer 3 on the back 21 to ensure.
  • the subject thermoelectric element 1 is arranged with its carrier layer on the back of the thermal energy source, here the photovoltaic element 18.
  • the TEE is arranged with its cover layer 4 at the back.
  • the carrier layer 3 is formed as an electrically non-conductive substrate, on which an electrode 17 is arranged, so as to form the discharge electrode. If the TEE is mounted with its electrically conductive cover layer 4 on the back of the photovoltaic element 18, provision must be made that it does not come to a short circuit or to a mutual, electrical impairment between TEE 1 and photovoltaic element 18.
  • the use of printing processes provides a very cost-effective option for producing individual designs of TEEs up to a batch size of 1.
  • the ready-made photovoltaic element can be arranged in a printing device, for example an inkjet printer, and then the thermoelectric element can be printed directly.
  • the individual layers are applied with a print head, which is guided over the section to be printed. Possible is a stratified order, with an interim stored drying step.
  • the entire layer structure can be applied with the discharge electrodes in one pass.
  • a photovoltaic element 18, in particular each individual photovoltaic converter element is usually constructed in a layered manner in a known manner, the base substrate usually forming one of the two discharge electrodes.
  • a possible further development can also consist in that the discharge electrode of the photovoltaic converter elements of the photovoltaic element 18 is formed by the electrically conductive carrier 3 or cover layer 4.
  • a discharge electrode is saved and, furthermore, a particularly compact structure with a very good thermal coupling from the photovoltaic converter elements to the thermoelectric element 1 is achieved.
  • thermoelectric element lies in the fact that with a very cost-effective material, which can be processed very easily, a semiconductor element can be formed, which emits electrical energy when exposed to temperature.
  • materials from the cyanoferrate group exhibit this effect similar to the Seebeck effect, in particular that the preferred iron (III) hexacyanoferrate (II / III), which is generally known as a dye, exhibits this effect.
  • the overall efficiency is significantly increased by the additional energy production from the waste heat and, on the other hand, the operating parameters of the photovoltaic element are stabilized.
  • FIG. 4 shows a possible further embodiment of the subject thermal-electrical element as a stack structure 27, in which a plurality of TEEe 1 are arranged one above the other.
  • a plurality of TEEe 1 are arranged one above the other.
  • another TEE 1 is arranged with its carrier layer. Since the carrier 3 and cover layer 4 also form the discharge electrodes in each case, it can be provided that an electrically insulating layer 28 can be arranged between the two layers.
  • This completely self-sufficient TEEe are created, which are indeed arranged on top of each other and thus are in the same thermal energy flow, but are completely free in terms of their electrical wiring.
  • FIG. 4 shows an electrical circuit network 29 which switches two TEEs in series in each case in order to achieve a higher output voltage.
  • the series circuits are connected in parallel to increase the output current. As a result of multiple superimposing the energy yield can be significantly increased. Since a single TEE can deliver an electrical voltage of up to 1.2 V and a current of up to 3A / m 2 , a series or parallel connection is particularly advantageous if the electrical output parameters can be adapted in a simple way , For example, to be able to operate directly a consumer, or possibly adjust the output voltage in a downstream voltage converter.
  • a further development may be that no insulating layer 28 is present, the cover 4 of the bottom and the support layer 3 of the TEEs arranged thereon are thus in electrical contact.
  • one of the two layers could be omitted, so that the cover layer of the lower, forms the carrier layer of the element arranged thereon.
  • the entire stack structure 27 is connected in series, the output voltage is then tapped on the carrier layer 3 of the lowermost element 1 and on the cover layer 4 of the uppermost element 1.
  • FIGS. 2 to 4 each show a further embodiment of the thermoelectric generator, which is possibly independent of itself, wherein the same reference numerals or component designations are used again for identical parts as in the preceding figures. To avoid unnecessary repetition, reference is made to the detailed description in the preceding figures.
  • thermoelectric generator for a better understanding of the design of the thermoelectric generator, this or its components have been shown partly out of scale and / or enlarged and / or reduced in size.
  • thermoelectric element Dissipation electrodes of the thermoelectric element

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermo-Elektrisches-Element (1), umfassend eine elektrisch leitende Trägerlage (3), ein aktives Element (2), eine elektrisch leitende Decklage (4), wobei die Trägerlage (3) und die Decklage (4) die Ableitungselektroden bilden, wobei ferner das aktive Element (2) einen p-n-Übergang (7) von einem n-Halbleiter (5) auf einen p-Halbleiter (6) aufweist und wobei das aktive Element (2) zwischen der Trägerlage (3) und der Decklage (4) und mit diesen elektrisch leitend verbunden angeordnet ist und wobei der n-Halbleiter (5) aus der Gruppe der Cyanoferrate gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Energie-Umwandlungselement (22) umfassend ein Fotovoltaisches-Element (18) und ein Thermo-Elektrisches-Element (1), wobei das Fotovoltaische-Element (18) eine Eintrittsseite (19) für optische Energie (20) und eine dieser gegenüberliegende Grundfläche (21) aufweist, wobei das Thermo-Elektrische-Element (1) mit seiner Trägerlage (3) thermisch kontaktierend auf der Grundfläche (21) angeordnet ist.

Description

Thermo-Elektrisches-Element
Die Erfindung betrifft ein Thermo-Elektrisches-Element.
Thermoelektrische Elemente bzw. thermoelektrische Generatoren (TEG) basieren auf dem Seebeck-Effekt, nach dem es bei einer Temperaturdifferenz entlang zweiter miteinander verbundener Leiter unterschiedlichen Materials, zu einer Spannungsausbildung kommt. Der Seebeck-Effekt wird hierin als für den Fachmann bekannt angesehen.
Neben Ausführungen von thermoelektrischen Generatoren als Messpunkt bzw. Messsonde, beispielsweise in Zündsicherungen von Feuerungsanlagen, ist eine Ausführung als flächiges Element bekannt. Dabei wird anstatt einer Metallkombination eine Halbleiterkombination verwendet, vom Aufbau her gleicht es einem Peltier-Element. Durch die Verwendung von Halbleitermaterialien las st sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen, basierend auf Metallpaarungen, deutlich erhöhen. Bei einem Peltier-Element sind in bekannter Weise Halbleiterelemente, jeweils ein n- und ein p-Halbleiter, in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltungsbrücke abwechselnd gegenüberliegend angeordnet ist und somit eine kalte und eine warme Seite eines Peltier-Elements bildet. Bei Ausbildung einer Temperaturdifferenz zwi- sehen der kalten und warmen Seite des Peltier-Elements, kommt es aufgrund des Seeback- Effekts, an den Anschlusspunkten zu einer Bereitstellung elektrischer Energie.
Ein Nachteil derartiger TEGs liegt darin, dass der Seebeck-Effekt auf einer Temperaturdifferenz basiert, die abgebbare Spannung mit zunehmender Temperaturdifferenz bis zu einem Maximalwert der Temperaturdifferenz größer wird, sodass für ein zuverlässiges Funktionieren eines solchen Elements eine möglichst große Temperaturdifferenz aufrecht erhalten werden muss. Daher wird eine Seite, die kalte Seite, zumeist mit recht aufwendigen Vorrichtungen gekühlt, beispielsweise mittels zwangsgeführter Luftkühlung und gegebenenfalls mittels Wasserkühlung. Durch diesen zusätzlichen Aufwand ist eine wirtschaftliche Energiegewin- nung mittels TEGs weitestgehend nicht gegeben, da der Aufwand für die erforderliche Kühlung den Vorteil durch den Energiegewinn wieder wettmacht. Ein weiterer Einsatzbereich für thermoelektrische Generatoren besteht überall dort wo Prozesswärme vorhanden ist, welche ungenutzt an die Umgebung bzw. über Kühlsysteme abgeführt werden muss. Beispielsweise haben Verbrennungskraftmaschinen bzw. Feuerungsanlagen älterer Generation eine hohe Abgastemperatur, wodurch ein großer Teil der eingesetzten Primärenergie ungenützt vergeudet wird. Auch kann es bei technischen Vorrichtungen durch den bestimmungsgemäßen Betrieb zu einer starken Erwärmung kommen, wodurch sich gegebenenfalls die Betriebsparameter derart negativ ändern können, dass sich der Wirkungsgrad der technischen Vorrichtung verschlechtert. Als Beispiel seien hier Fotovoltaik-Elemente genannt, welche sich beim bestimmungsgemäßen Einsatz aufgrund ihrer möglichst optimalen Ausrichtung zur Sonne sehr stark erwärmen, wobei Betriebstemperaturen bis zu 140° problemlos erreicht werden. Derart hohe Betriebstemperaturen bewirken allerdings eine Verschlechterung der Umwandlungseffizienz des Fotovoltaik- Elements, sodass insbesondere in eher südlichen Ländern der wirtschaftliche Einsatz von Fotovoltaik-Elementen aufgrund der vorherrschenden, hohen Temperaturen beschränkt ist. Hier wäre es nun von Vorteil, wenn thermische Energie vom Fotovoltaik-Element abgeführt werden kann und diese thermische Energie zusätzlich zur Energiegewinnung genutzt werden könnte.
Bekannte Thermo-Elektrische-Elemente haben wie bereits beschrieben, den Nachteil, dass sie nur bei Vorhandensein einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Flachseiten, zur Ener- giegewinnung taugen, bei Peltier-Elementen sind bis zu 70°C Temperaturdifferenz erreichbar/erforderlich. Bei Anordnung bekannter Elemente auf einem Fotovoltaik-Element würde der erhaltene Energiegewinn durch den zusätzlichen Aufwand zur Kühlung des Thermo- Elektrischen-Elements aufgebraucht, sodass ein wirtschaftlicher Einsatz im Wesentlichen nicht möglich ist.
Bedingt durch den Aufbau als Hintereinanderschaltung einzelner Halbleiterblöcke weist das bekannte, Thermo-Elektrische-Element zwar einen geringen, elektrischen Widerstand, gleichzeitig aber auch einen sehr geringen, thermischen Widerstand auf. Dies führt dazu, dass bei einem Wärmeeintrag auf einer Seite, der Wärmestrom das Thermo-Elektrische-Element sehr schnell durchdringt und ohne eine ausreichend starke Kühlung der gegenüberliegenden Seite, ein Temperaturausgleich stattfindet, wodurch der Wärmestrom und damit auch die Energieumwandlung zum Erliegen kommt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dünnschicht Thermo-Elektrisches-Element (TEE) zu schaffen, welches einen gegenüber bekannten TEEn einen höheren Wirkungsgrad hat und einfacher und preiswerter in der Herstellung ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, das Thermo-Elektrische-Element derart auszubilden, dass der Temperaturausgleich im Element reduziert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Thermo-Elektrisches-Element (TEE) gelöst, welches eine elektrisch leitende Trägerlage, ein aktives Element und eine elektrisch leitende Decklage umfasst. Die Trägerlage und die Decklage bilden die Ableitungselektroden, ferner weist das aktive Element einen p-n-Übergang von einem n-Halbleiter auf einen p-Halbleiter auf. Das aktive Element ist zwischen der Trägerlage und der Decklage angeordnet und mit diesen elektrisch leitend verbunden. Der n-Halbleiter ist aus der Gruppe der Cyanoferrate gebildet, was den überraschenden Vorteil hat, dass mit Materialien aus dieser Gruppe, bei Anordnung in einem p-n-Übergang, eine Umwandlung von Wärme in elektrische Energie statt- findet.
Bekannte Thermo-Elektrische-Elemente (Peltier- bzw. Seebeck-Elemente) weisen einen p-n- Übergang auf, wobei als Halbleitermaterialien bspw. Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 bekannt sind. Diese Elemente sind jedoch einerseits sehr teuer und haben andererseits im ge- wünschten Frequenzbereich der Infrarot-Strahlung (IR) eine sehr mäßige Umwandlungseffizienz. Insbesondere sind Si-basierte Halbleiter aufgrund ihrer Bandlücke nur für Wellenlängen größer ca. 1,1 μιη weitestgehend ungeeignet, GaSb-basierte Halbleiter können bis ca. 1,5μιη verwendet werden, haben allerdings einen geringeren Wirkungsgrad als Si-Halbleiter. Im Gegensatz zu bekannten Halbleitermaterialien sind die Materialien aus der Gruppe der
Cyanoferrate deutlich günstiger, wodurch auch der wirtschaftliche Einsatz solcher TEEe verbessert wird, auch sind zur Verarbeitung dieser Materialien keine aufwändigen Produktionssysteme erforderlich, insbesondere sind keine Hochtemperatur- bzw. Hochvakuumsysteme erforderlich.
Durch eine Anordnung, bei der das aktive Element auf der Trägerlage angeordnet ist und auf dem aktiven Element die Decklage angeordnet ist, wird ein Schutz des aktiven Elements durch die beiden Lagen erreicht. Ferner wird durch die beiden Lagen eine gute thermische Ankopplung an die Umgebung bzw. an eine thermische Energiequelle erreicht, bzw. wird eine Vergleichmäßigung des thermischen Energieeintrags in der Träger- bzw. Decklage erreicht. Ebenfalls ergibt sich dadurch eine gute Ableitung der vom aktiven Element generierten Ladungsträger.
Durch eine Ausbildung, nach der die Trägerlage und die Decklage im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind, wird eine flächige Vorrichtung gebildet, welche sich sehr gut an eine thermische Energiequelle anbringen lässt und dabei eine gute thermische Kopplung mit der Energiequelle ermöglicht. Insbesondere kann somit großflächig thermische Energie von einer Quelle abgenommen werden.
Bei bekannten Thermo-Elektrischen-Elementen sind die halbleitenden Materialien in Blöcken nebeneinander angeordnet und jeweils stirnseitig zu einer Serienschaltung verbunden, wobei die jeweiligen Stirnseiten aller Blöcke die beiden Flachseiten eines derartigen Elements bil- den. Der Aufbau eines bekannten TEEs wird hierin als für den Fachmann bekannt angesehen. Diese unter inplane bekannte Anordnung hat zwar den Vorteil eines geringen elektrischen Widerstandes, gleichzeitig ist jedoch auch der thermische Widerstand gering. Daher kommt es zu einem Temperaturausgleich über die Dicke der Halbleiterblöcke, wodurch die Energieumwandlung verschwindet - da diese auf einer Temperaturdifferenz zwischen den Halb- leiterübergängen basiert. Daher muss bei derartigen Elementen eine Temperaturdifferenz über der Dicke der Halbleiterblöcke aufrechterhalten werden - eine Seite wird zumeist recht aufwändig gekühlt, was die Gesamteffizienz deutlich reduziert. Eine anspruchsgemäße Anordnung nach der das aktive Element als Schichtaufbau (crossplane) ausgebildet ist hat nun den Vorteil, dass dadurch der thermische Widerstand über die Dicke des Schichtaufbaus deutlich steigt, so dass es nur zu einem geringen Temperaturausgleich kommt und das TEE somit ohne zusätzliche Kühlung auskommt.
Der Sichtaufbau ist bevorzugt derart aufgebaut, dass der p-Halbleiter auf der Trägerlage angeordnet ist. Darüber ist der n-Halbleiter angeordnet, auf welchem die Decklage angeordnet ist.
Nach einer Weiterbildung ist der n-Halbleiter durch Hexacyanoferrat gebildet. Bevorzugt ist der n-Halbleiter aus Eisen(III)-Hexacyanoferrat(II/III) (FevCigNig) gebildet.
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Eisen-Hexacyanoferrat ist als Farbstoff unter der Bezeichnung Preußisch Blau bekannt. Überraschend ist nun, dass dieser Farbstoff als n-Halbleiter in einem p-n-Übergang eines aktiven Elements, Wärme in elektrische Energie umzuwandeln vermag - ähnlich dem Seebeck- Effekt. Durch den käfigartigen Aufbau des Hexa-Cyanoferrat Anions kommt es bei Zuführen von thermischer Energie dazu, dass das Eisen im Anion eine ungeordnete Bewegung
(Schwingung) auszuführen versucht, diese Bewegung aber durch den C-N-Käfig behindert wird. Diese Behinderung wirkt sich auch auf den Wärmetransport aus, es steigt daher der thermische Widerstand und es kommt zu keinem, oder nur zu einem stark reduzierten, Temperaturausgleich im aktiven Element. Die durch Temperaturzufuhr am Kation des Cyanoferrat Komplexes freigesetzten Ladungsträger werden von der p-Schicht, die als Akzeptor
(Lochtransporter) fungiert, aufgefangen, über die elektrisch leitende Träger- und Decklage werden die erzeugten Ladungsträger aus der n- und p- Schicht abtransportiert.
Nach einer Weiterbildung ist der n-Halbleiter mit zumindest einem Stoff aus der Gruppe der Metalloxide dotiert, bspw. mit Ti02, wodurch eine Verbesserung der Wandlungseffizienz erreicht wird. Bei den Metalloxiden sind all jene Stoffe von Vorteil, welche eine große Bandlücke und/oder eine Oberflächenstruktur mit großen Poren aufweisen, um eine möglichst große Absorption der auftreffenden thermischen Energie (IR-Strahlung) zu erreichen.
Der p-Halbleiter kann aus einem Material der Gruppe PEDOT:PSS, GaSb/PEDOT und Si gebildet sein. Für Silizium ist nano Si oder p-dotiertes Si (bspw. mit Bor) möglich.
Nach einer Weiterbildung ist die Trägerlage durch ein transparentes Substrat gebildet ist, auf welchem eine transparente Elektrode aufgebracht ist. Beispielsweise kann die Trägerlage durch Glas, Kunststoff gebildet sein, die transparente Elektrode ist bevorzugt als TCO ausge- bildet. Als transparent ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der relevante Wellenlängenbereich -von 400nm bis 700nm durch die Trägerlage bzw. die Elektrode nicht, oder nur sehr gering gedämpft wird. Diese Ausbildung hat den weiteren Vorteil, dass die Trägerlage elektrisch isolierend ausgebildet sein kann und somit die Anbringung des gegenständlichen TEEs auf einer Vielzahl von Materialien, insbesondere elektrisch leitenden, ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen möglich ist.
Mit einer Weiterbildung, nach der die Trägerlage durch ein elastisch rückstellbares Substrat gebildet ist wird ein Element geschaffen, welches sich ohne Gefahr einer Beschädigung des TEEs auch an nicht planen Oberflächen anbringen lässt. Die Trägerlage kann bspw. durch eine PETLage gebildet sein, es liegt jedoch im Fachwissen des Technikers, die minimalen Biegeradien des Materials, des aktiven Elements und insbesondere die der Ableitungselektroden festzulegen, um eine Beschädigung durch eine Verformung zu unterbinden. Eine Weiterbildung nach der die Trägerlage und/oder die Decklage durch einen metallischen Leiter gebildet ist hat den Vorteil, dass einmal eine sehr gute Ableitung der Ladungsträger gegeben ist. Ferner weist ein metallischer Leiter zumeist auch eine gute thermische Leitfähigkeit auf, wodurch ein Temperaturausgleich über die Träger- und/oder die Decklage möglich ist und sich diese daher jeweils auf einem einheitlichen Temperaturniveau befindet. Dies hat den Vorteil, dass es im aktiven Element zu keinen Ausgleichsströmen (thermisch und/oder elektrisch) kommt, was insbesondere die Gesamteffizienz steigert. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass bspw. der n-Halbleiter direkt auf die Trägerlage aufgebracht wird, welche somit die Stützfunktion und Ladungsträgerableitung übernimmt. Eine Weiterbildung besteht ferner darin, dass die Trägerlage durch eine Kollektorschicht gebildet ist, bspw. aus Wolframcarbid. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eintreffende IR-Strahlung von der Kollektorschicht in Konvektionswärme umgewandelt wird, welche anschließend auf das aktive Element einwirkt. Die Kollektorschicht kann bspw. für einen Wellenlängenbereich selektiv ausgebildet sein, um so trotz einer geringen einfallenden Strah- lungsleistung, möglichst viel Energie zu absorbieren und an das aktive Element weiterzugeben. In einer möglichen Weiterbildung kann das gegenständliche TEE in einer Umgebung eingesetzt werden, wo nur ein Teilbereich des infraroten Spektrums vorhanden ist und der Energiegehalt in diesem Spektralbereich für ein direktes Einwirken auf das aktive Element ggf. zu gering wäre. Hier kann mit einem frequenzselektiven Kollektor eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden.
Eine Weiterbildung besteht ferner darin, dass die Trägerlage und/oder die Decklage durch eine elektrisch leitende Gitterstruktur gebildet ist. Damit wird erreicht, dass der Anteil der Fläche des aktiven Elements reduziert wird, welcher durch die Ableitungselektroden abgedeckt ist und somit mehr Fläche zum Einwirken der IR-Strahlung zur Verfügung steht. Durch das Ableitungsgitter wird dennoch eine ausreichend gute Ableitung der Ladungsträger gewährleistet.
Zum Schutz des aktiven Elements, insbesondere gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff, ist vorgesehen, dass über den Abschnitten des aktiven Elements, welche nicht durch die Trägerlage und die Decklage abgedeckt sind, eine Schutzschicht aufgebracht ist. Diese Schutzschicht kann bspw. durch Glas, durch eine Kunststofffolie welche zur Verringerung der Feuchtig- keits- und Sauers toffdurchlässigkeit ggf. mit Aluminium- oder Bornitrit beschichtet sein kann, oder durch eine metallisierte Folie gebildet sein. Gerade Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff können in den Halbleitermaterialien des aktiven Elements langsam fortschreitende, irreversible Veränderungen hervorrufen, die zu einem Ausfall des aktiven Elements führen können.
Eine Weiterbildung kann auch darin bestehen, dass auf der dem aktiven Element jeweils abgewandten Seite der der Trägerlage und/oder der Decklage eine Schutzschicht aufgebracht ist. Da die beiden Lagen die Ableitungselektroden bilden ist es für die Anwendungssicherheit von Vorteil, wenn die Schutzschicht elektrisch isolierend ausgebildet ist bspw. als Kunststofffolie aus PET, PVA, PVC, PC, um nur die wichtigsten Materialien zu nennen. Ferner kann die Schutzschicht auch dahingehend ausgebildet sein, die Lagen und insbesondere das gesamte TEE, gegenüber den, am Einsatzort herrschenden Umwelteinflüssen, zu schützen.
Nach einer Ausbildung weist das aktive Element des gegenständlichen Thermo-Elektrischen- Elements eine Dicke im Bereich von Ιμιη bis 1mm aufweist, bevorzugt im Bereich von ΙΟμιη bis 50μιη. Somit wird ein TEE geschaffen, welches eine sehr geringe Gesamtdicke - und damit geringes Gewicht - aufweist und damit sehr gut an bestehende Vorrichtungen angebracht werden kann. Eine mögliche Ausbildung zur Steigerung der abgegebenen elektrischen Spannung besteht darin, dass auf der Decklage zumindest ein weiteres aktives Element mit wiederum einer Decklage angeordnet ist. Mit dieser Weiterbildung stellt die Decklage des unteren TEEs die Trägerlage des darauf angeordneten TEEs dar, es handelt sich damit um eine aufbaubedingte, fest verdrahtete Serienschaltungen mehrerer TEEe, die elektrische Energie wird an der unteren Trägerlage und an der oberen Decklage abgegriffen. Diese Anordnung entspricht einem Stackaufbau, wobei die Begriffe untere und obere, die Anordnung des jeweiligen Elements in diesem Stackaufbau bezeichnen. Eine weitere mögliche Ausbildung zur Erhöhung der Energieabgabe besteht darin, dass übereinander angeordnet, ein wiederholter Aufbau aus Trägerlage, aktivem Element und Decklage vorhanden ist. Zwischen der Decklage und der darauf angeordneten Trägerlage des nächsten TEEs, kann eine Isolierschicht angeordnet sein bzw. kann die Decklage und/oder die Trägerlage elektrisch isolierend ausgebildet sein, um eine elektrische Verbindung der aufeinander angeordneten TEEe zu verhindern. Durch diese Anordnung ist keine elektrische Verschaltung vorgegeben, insbesondere sind die Ableitungselektroden der einzelnen TEEe nach außen geführt und somit beliebig extern verschaltbar, so dass jede gewünschte Serien- und/oder Parallelschaltung ausgebildet werden kann. Insbesondere kann so dass Spannungsniveau und das Stromabgabevermögen an den gewünschten Einsatzfall angepasst werden.
Da die eingesetzten Materialien eine sehr einfache Verarbeitung erlauben, insbesondere ist ein Aufbringen mittels eines Druckverfahrens möglich, kann in vorteilhafter Weise ein Multila- gensystem aufgebaut werden, welches eine Mehrzahl von übereinander aufgebrachten bzw. aufeinander angeordneten aktiven Elementen aufweist. Da sich auf die Ableitungselektroden im Druckverfahren herstellen lassen, können auch mehrere TEEe übereinander gedruckt werden. Beispielsweise sind Anordnungen mit 10 oder mehr Schichten denkbar.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Energie-Umwandlungselement gelöst, welches ein Fotovoltaisches-Element und ein gegenständliches Thermo-Elektrisches-Element aufweist. Das Fotovoltaische-Element weist eine Eintritts seite für optische Energie und eine dieser gegenüberliegenden Grundfläche auf. Das Thermo-Elektrische-Element ist mit seiner Trägerlage thermisch kontaktierend auf der Grundfläche angeordnet. Ein Fotovoltaisches- Element erwärmt sich durch die Sonnenbestrahlung sehr stark, wobei diese Erwärmung ggf. den Wirkungsgrad des Fotovoltaischen-Elements reduziert, da die Umwandlungseigenschaften temperaturabhängig sind. Mit der gegenständlichen Ausbildung wird erreicht, dass einerseits das Fotovoltaische-Element gekühlt wird und dass ferner die bislang als Abwärme verlorengegangene Energie zusätzlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Damit wird eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads um ca. 2% gegenüber einer reinen Fotovoltaischen Umwandlung erreicht.
Da die Kenngrößen des Fotovoltaischen-Elements und des Thermo-Elektrischen-Elements nicht übereinstimmen, das gegenständliche TEE liefert ca. 1.2V, ein Silizium-Fotovoltaik- Element liefert typischerweise 0,5V, ist vorgesehen, dass die Ableitungselektroden des Foto- voltaik-Elements und die Ableitungselektroden des Thermo-Elektrischen-Elements über einen Spannungswandler mit einem elektrischen Kontaktabschnitt verbunden sind. Somit wird für den Anwender erreicht, dass dieser ein Element bereitgestellt bekommt, welches an einem Kontaktabschnitt elektrische Energie bereitstellt.
Für eine nachträgliche Anordnung an einem bestehenden Fotovoltaischen-Element bzw. zur Vereinfachung der Fertigung ist eine Weiterbildung von Vorteil, nach der das Thermo- Elektrische-Element mittels einer Spannvorrichtung oder einer Klemmvorrichtung an dem Fotovoltaik-Element angeordnet ist.
Ebenso ist es möglich, dass das Thermo-Elektrische-Element mittels einer Haftverbindung an dem Fotovoltaik-Element angeordnet ist. Dies kann bspw. durch eine Klebeverbindung oder durch Laminieren erfolgen, wobei eine gute thermische Verbindung zwischen dem Fotovoltaischen-Element und dem TEE gegeben sein muss.
Zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstands und/oder zum Ausgleich von Ungenauig- keiten der Oberfläche des Fotovoltaischen-Elements, auf welchem das TEE angeordnet wird, ist es von Vorteil, wenn zwischen der Grundfläche und der Trägerlage ein Wärmeleitmittel angeordnet ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:
Fig.l. eine Ausführungsform des gegenständlichen Thermo-Elektrischen-Elements; Fig.2. eine weitere mögliche Ausführungsform des gegenständlichen Thermo- elektrischen-Elements ;
Fig.3. eine Anordnung des gegenständlichen Thermo-Elektrischen-Elements auf einem
Fotovoltaik- Element;
Fig.4. eine mögliche Weiterbildung des TEEs zur Erhöhung der Energieausbeute durch einen Stackaufbau.
Fig. 1 zeigt eine Ausführung des gegenständlichen Thermo-Elektrischen-Elements 1, bei dem das aktive Element 2 auf der Trägerlage 3 aufgebracht ist und wobei auf dem aktiven Element 2 die Decklage 4 angeordnet ist. Das aktive Element 2 weist einen n-Halbleiter 5 und einen p- Halbleiter 6 auf, welche an einem p-n-Übergang 7 aneinander angrenzen.
Die Trägerlage 3 und die Decklage 4 bilden gleichzeitig die Ableitungselektroden, wobei es beim Einwirken thermischer Energie 8, beispielsweise auf die Flachseite 9 der Decklage 4, im Inneren des Thermo-Elektrischen-Elements 1, insbesondere im aktiven Element 2, zu einem Temperaturgradienten 10 kommt. Vergleichbar mit dem Seebeck-Effekt bildet sich im aktiven Element eine Ladungsträgerverschiebung aus, welche als elektrische Spannung 11 über die Ableitungselektroden abgegriffen und einem Verbrauchen 12 zugeführt werden kann. Durch den über den Verbraucher 12 geschlossenen Stromkreis wird bei Einwirken thermischer
Energie 8 vom Thermo-Elektrischen-Element 1 elektrische Energie abgegeben, sodass es zu einem Stromfluss 13 im Stromkreis kommt und der elektrische Verbraucher 12 durch Umwandlung thermischer Energie 8 betrieben werden kann. Bei bekannten Thermo-Elektrischen-Elementen sind Halbleiterblöcke nebeneinander angeordnet, jeweils zwei Halbleiterblöcke sind stirnseitig über eine Kontaktbrücke zur Bildung einer Serienschaltung miteinander verbunden. Der Aufbau eines Peltier-Elements wird hierin als bekannt angenommen, insbesondere ist bekannt, dass ein Peltier-Element eine warme und eine kalte Flachseite aufweist, wobei die Festlegung der warmen bzw. kalten Flachseite mit der Polarität der elektrischen Spannung an den Anschlusselektroden korrespondiert. Da ein Halbleiter einen geringen elektrischen Widerstand und insbesondere auch einen geringen thermischen Widerstand aufweist, kommt es bei einer Erwärmung der warmen Flachseite zu einem thermischen Energieausgleich über dem Peltier-Element. Ohne aufwändige Zusatzmaßnahmen, insbesondere ohne entsprechende Kühlung der kalten Flachseite, wird sich die Temperatur der kalten Flachseite an die der warmen angleichen, wodurch die Energieumwandlung zum Erliegen kommt. Beim gegenständlichen TEE ist nun das aktive Element 2 in einer sogenannten crossplane Anordnung ausgebildet, es befindet sich also der p-n-Übergang 7 im Pfad des Temperaturgradienten 10. Diese Anordnung erhöht zwar den elektrischen Widerstand des aktiven Elements 2, von besonderem Vorteil ist jedoch, dass dadurch der thermische Widerstand deutlich ansteigt. Dies bedeutet unmittelbar, dass die thermischen Ausgleichsströme im aktiven Element 2 wesentlich eingeschränkt werden, sodass für das gegenständliche TEE eine Kühlung der kalten Flachseite 14 nicht erforderlich ist.
Zum Schutz des gesamten Thermo-Elektrischen-Elements 1, insbesondere aber dem aktiven Element 2, kann optional vorgesehen sein, dass das TEE 1 mit einer Schutzschicht 15 umgeben ist, wobei die Schutzschicht 15 zumindest in jenen Abschnitten angeordnet ist, in denen das aktive Element 2 nicht von der Träger- 3 bzw. Decklage 4 gegen die Umgebung geschützt angeordnet ist. Gemäß einer Weiterbildung kann die Träger- 3 bzw. Decklage 4 auch durch eine Gitterelektrode gebildet sein, sodass dann bevorzugt auch auf den Ableitungselektroden 3, 4 die Schutzschicht 15 angeordnet sein wird. Gerade der Schutz des aktiven Elements 2 ist von Bedeutung, da die Halbleiter 5, 6 bei Kontakt mit Luftsauerstoff und/oder mit Umgebungsfeuchtigkeit chemisch reagieren können, wodurch die gewünschten Materialeigenschaf - ten gegebenenfalls verloren gehen können. Die Schutzschicht kann beispielsweise durch Glas, eine Kunststofffolie welche zur Verringerung der Feuchtigkeits- und Sauerstoffdurchlässigkeit ggf. mit Aluminium- oder Bornitrit beschichtet sein kann, oder durch eine metallisierte Foliegebildet sein. Dieses Material bildet einerseits einen guten mechanischen Schutz des Thermo-Elektrischen-Elements, stört andererseits aber den Eintrag der thermischen Energie 8 in die warme Flachseite 9 nicht oder nur sehr gering.
Der n-Halbleiter 5 des gegenständlichen Thermo-Elektrischen-Elements ist aus der Gruppe der Cyanoferrate gebildet, bevorzugt durch Eisen(III)-Hexacyanoferrat(II/III). Dieses Material ist als Farbstoff Preußisch Blau bekannt, wobei sich in überraschender Weise bei Verwendung dieses Materials als n-Halbleiter in einem p-n-Übergang, ein dem Seeback-Effekt vergleichbarer Effekt einstellt, nämlich dass eine Temperatureinwirkung auf diese Materialkombination eine Abgabe elektrischer Energie über die Ableitungselektroden 26 ergibt. Materialien aus der Gruppe der Cyanoferrate sind einerseits sehr kostengünstig und lassen sich insbesondere sehr einfach verarbeiten, beispielsweise mit all jenen Verfahren die geeignet sind, eine Farbe auf einen Untergrund aufzutragen. Für den p-Halbleiter 6 gibt es kaum Einschränkungen, da dieser lediglich als Akzeptor dienen muss. Bevorzugt wird der p-Halbleiter aus einem Material gebildet sein, welches sich ähnlich dem n-Halbleiter 5 einfach verarbeiten lässt und hin- sichtlich der mechanischen Eigenschaften an die der Träger- 4 bzw. Decklage 3 und dem n- Halbleiter 5 angepasst ist.
Fig. 2 zeigt eine weitere mögliche Ausbildung des gegenständlichen Thermo-Elektrischen Elements 1. Zur Ausbildung der Trägerlage 3 als Ableitungselektrode ist auf einer Flachseite 16 der Trägerlage 3 eine elektrisch leitfähige Elektrode 17 angeordnet, auf welcher Elektrode 17 das aktive Element 2 angeordnet ist. Bevorzugt ist auf der Elektrode 17 der p-Halbleiter 6 und darauf der n-Halbleiter 5 angeordnet, auf dem n-Halbleiter 5 ist die Decklage 4 als Ableitungselektrode angeordnet. Gleichbedeutend ist es jedoch auch möglich, dass der n-Halbleiter auf der Trägerlage, darauf der n-Halbleiter und darauf die Decklage angeordnet sind. Diese Ausbildung hat beispielsweise den Vorteil, dass die Trägerlage 3 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein kann, beispielsweise aus einer Kunststofffolie oder Glas, sodass dieses TEE mit der Trägerlage 3 direkt an einer thermischen Energiequelle angeordnet sein kann, ohne dass sich der Anwender Gedanken um die elektrische Isolierung des TEEs 1 gegenüber der thermischen Energiequelle machen muss. Diese Ausführung hat den weiteren Vorteil, dass die Trägerlage 3 als Stützlage für den anschließend aufgebrachten Schichtaufbau 2 dienen kann. Insbesondere da die Dicke des aktiven Elements 2 bevorzugt unter 1 mm beträgt, birgt ein derart dünnes Element, auch mit den darauf aufgebrachten Ableitungselektroden, für die weitere Verarbeitung bzw. Anordnung an thermischen Energiequellen das Problem, dass ein derart dünnes Element sehr leicht beschädigt werden kann. Durch Ausbildung einer entsprechend dicken und damit mechanisch stabilen Trägerlage kann der darauf angeordnete Schichtaufbau zuverlässig gegen mechanische Belastungen geschützt werden. Auch bei dieser Ausführung ist es optional möglich, den Schichtaufbau aus Träger 3 und Decklage 4 und dem aktiven Element 2 mit einer Schutzschicht 15 zu umgeben, um somit wiederum eine zuverlässige Abschottung, insbesondere des aktiven Elements 2 gegenüber Umwelteinflüssen zu gewährleisten.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Verwendung des gegenständlichen, Thermo-Elektrischen-Elements 1 in Kombination mit einem Fotovoltaik- Element 18. Das Fotovoltaik-Element 18 weist eine Lichteintrittsseite 19 auf, welche bevorzugt unter einem optimalen Winkel zur Sonne ausgerichtet ist. Von der Sonne trifft Licht 20 als Mischung unterschiedlicher Wellenlängen auf der Lichteintrittsseite 19 ein. Für Fotovoltaik- Elemente 18 ist bekannt, dass diese nur einen Teilbereich des einfallenden Lichtspektrums 20 in elektrischer Energie umwandeln können. Foto- voltaik-Elemente aus polykristallinem oder monokristallinem Silizium erreichen im Vergleich zu anderen Materialien bzw. Fotovoltaik- Technologien zwar den höchsten Wirkungsgrad, sind vom nutzbaren Spektralbereich jedoch auf Wellenlänger kleiner 1400μιη beschränkt. Ein großer Teil der einfallenden thermischen Infrarotstrahlung geht für die Energiegewinnung verloren, führt aber zu einer sehr starken Erwärmung des Fotovoltaik-Elements, wobei Tem- peraturen deutlich über 100°C erreicht werden können. Eine derart starke Erwärmung kann jedoch dazu führen, dass sich die Umwandlungseffizienz des Fotovoltaik-Elements verschlechtert, da mit steigender Temperatur auch der elektrische Widerstand jedes einzelnen fotovoltaischen Wandlerelements steigt. Durch die Anordnung des gegenständlichen Thermo-Elektrischen-Elements 1, bevorzugt auf der Rückseite 21 des Fotovoltaik-Elements 18 wird die Abwärme des Fotovoltaik-Elements 18 genutzt und in elektrische Energie umgewandelt. Damit lässt sich eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Energie-Umwandlungselements 22 um zumindest 1 % steigern, wobei auch Steigerungen bis zumindest 2 % möglich sind. Im Vergleich zu dem Aufwand der erforderlich ist, um für ein Fotovoltaik-Element 18 eine Steigerung des Wirkungsgrades im lOtel Prozentbereich zu erreichen, wird mit der gegenständlichen Ausbildung eine bedeutende Steigerung des Gesamtwirkungsgrads erreicht, allerdings zu einem Bruchteil der Kosten die eine Wirkungsgradsteigerung eines Fotovoltaik-Elements 18 erforderlich machen. Neben der zusätzlichen Energiegewinnung hat die Anordnung des gegenständlichen, Thermo- Elektrischen-Elements 1 auf einem Fotovoltaik-Elements 18 noch den weiteren Vorteil, dass durch die Energieumwandlung das Fotovoltaik-Element 18 gekühlt wird, was für die Betriebsparameter und damit die Umwandlungseffizienz der einzelnen fotovoltaischen Wandler von Vorteil ist. Für einen Anwender ist es von Vorteil, wenn ein Energie-Umwandlungselement 22 seine Energie an einem einzigen Anschlusspunkt bereitstellt. Da sich jedoch die generierten Spannungen und vor allem der Umfang der bereitgestellten Energie zwischen dem Fotovoltaik- Element 18 und dem Thermo-Elektrischen-Element 1 unterscheiden, sich die beiden Energie- abgabeanschlüsse nicht direkt zusammenschalten lassen ist es von Vorteil, wenn am Energieumwandlungselement 22 ein Spannungswandler 23 vorhanden ist. Dieser ist mit den Ableitungselektroden 24 des fotovoltaischen Elements 18 und mit den Ableitungselektroden 26 des Thermo-Elektrischen-Elements 1 verbunden. Ein Spannungswandler 23 ist in bekannter Weise in der Lage, die elektrischen Energieniveaus unterschiedlicher elektrischer Energie- quellen zusammenzuführen und an einem gemeinsamen Energieabgabeabschnitt 25 bereitzustellen.
Aus Darstellungsgründen sind in der Figur die Schichtdicken des Thermo-Elektrischen- Elements 1, insbesondere die Dickenverhältnisse der Träger- 3 und Decklage 4 sowie des aktiven Elements 2 übertrieben dargestellt. Eine gegebenenfalls über dem Schichtaufbau angeordnete Schutzschicht ist ebenfalls aus Darstellungsgründen in der Figur nicht dargestellt. Das Thermo-Elektrische-Element 1 wird bevorzugt mit seiner Trägerlage durch Aufkleben bzw. Laminieren an der Rückseite 21 des Fotovoltaik- Element 18 angebracht, wobei bei einer Klebeverbindung der Klebstoff eine gute Wärmeleitung aufweisen muss, um eine gute ther- mische Ankopplung des TEEs an das Fotovoltaik-Element 18 zu gewährleisten. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwischen der Trägerlage 3 und der Rückseite 21 des Fotovoltaik- Elements 18 ein Wärmeleitmittel vorhanden ist, um einerseits den Temperaturtransport zu verbessern und gegebenenfalls vorhandene, kleine Unebenheiten der Rückseite 21 auszugleichen und ein gutes Anliegen der Trägerlage 3 auf der Rückseite 21 zu gewährleisten.
Im dargestellten Fall ist das gegenständliche Thermo-Elektrische-Element 1 mit seiner Trägerlage an der Rückseite der thermischen Energiequelle, hier dem Fotovoltaik-Element 18, angeordnet. Gleichbedeutend ist jedoch auch möglich, dass das TEE mit seiner Decklage 4 an der Rückseite angeordnet ist. Im dargestellten Fall ist die Trägerlage 3 als elektrisch nicht leitendes Substrat ausgebildet, auf welchem eine Elektrode 17 angeordnet ist, um somit die Ableitungselektrode zu bilden. Wird das TEE mit seiner elektrisch leitenden Decklage 4 auf der Rückseite des Fotovoltaik-Elements 18 angebracht, sind Vorkehrungen zu treffen, dass es zu keinem Kurzschluss bzw. zu einer gegenseitigen, elektrischen Beeinträchtigung zwischen TEE 1 und Fotovoltaik-Element 18 kommt.
Insbesondere ist durch den Einsatz von Druckverfahren eine sehr kostengünstige Möglichkeit gegeben, individuelle Ausführungen von TEEe bis zu einer Losgröße von 1 zu erzeugen. Beispielsweise kann das fertig konfektionierte Fotovoltaik-Element in einer Druckvorrichtung, bspw. einem Tintenstrahldrucker, angeordnet werden und anschließend direkt das Thermo- Elektrische-Element aufgedruckt werden. Dabei werden mit einem Druckkopf, welcher über den zu bedruckenden Abschnitt geführt wird, die einzelnen Schichten aufgetragen. Mögliche ist ein schichtweiser Auftrag, mit einem jeweils zwischengelagerten Trockenschritt. Durch entsprechende Ausgestaltung des Druckkopfs mit einer Trocknungsvorrichtung kann der gesamte Schichtaufbau mit den Ableitungselektroden in einem Durchgang aufgebracht werden.
Ein Fotovoltaik-Element 18, insbesondere jedes einzelne fotovoltaische Wandlerelement ist in bekannter Weise zumeist schichtartig aufgebaut, wobei das Basissubstrat meist eine der beiden Ableitungselektroden bildet. Eine mögliche Weiterbildung kann auch darin bestehen, dass die Ableitungselektrode der fotovoltaischen Wandlerelemente des Fotovoltaik- Elements 18 durch die elektrisch leitende Träger- 3 oder Decklage 4 gebildet ist. In dieser Ausführung wird einerseits eine Ableitungselektrode eingespart und ferner ein besonders kompakter Auf- bau mit einer sehr guten Wärmekopplung von den fotovoltaischen Wandlerelementen auf das Thermo-Elektrische-Element 1 erreicht.
Der besondere Vorteil des gegenständlichen Thermo-Elektrischen-Elements liegt zusammenfassend darin, dass mit einem sehr kostengünstigen Material, welches sich sehr einfach verar- beiten lässt, ein Halbleiterelement gebildet werden kann, welches bei Temperatureinwirkung elektrische Energie abgibt. Das überraschende daran ist, dass Materialien aus der Gruppe der Cyanoferrate diesen, dem Seebeck-Effekt ähnlichen Effekt zeigen, insbesondere dass das bevorzugte Eisen(III)-Hexacyanoferrat(II/III) welches allgemein als Farbstoff bekannt ist, diesen Effekt zeigt. In Kombination mit meinem Fotovoltaik-Element wird einerseits die Ge- samteffizienz durch die zusätzliche Energiegewinnung aus der Abwärme deutlich gesteigert und andererseits die Betriebsparameter des Fotovoltaik-Elements stabilisiert. Figur 4 zeigt eine mögliche weitere Ausführung des gegenständlichen Thermo-Elektrischen- Elements als Stackaufbau 27, bei dem mehrere TEEe 1 übereinander angeordnet sind. In der Figur ist dargestellt, dass auf der Decklage 4 des unteren TEEs, ein weiteres TEE 1 mit seiner Trägerlage angeordnet ist. Da die Träger- 3 und Decklage 4 jeweils auch die Ableitungselekt- roden bilden kann vorgesehen sein, dass zwischen den beiden Lagen eine elektrisch isolierenden Schicht 28 angeordnet sein. Damit werden völlig eigenständige TEEe geschaffen, die zwar aufeinander angeordnet sind und sich damit im selben thermischen Energiestrom befinden, hinsichtlich ihrer elektrischen Beschaltung jedoch völlig frei sind. In der Figur 4 ist ein elektrisches Ver Schaltungsnetzwerk 29 dargestellt, welches jeweils zwei TEEe in Serie schal- tet, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzielen. Die Serienschaltungen sind parallel geschaltet, um so den Ausgangsstrom zu erhöhen. Dadurch mehrfaches übereinander Anordnen kann die Energieausbeute deutlich gesteigert werden. Da ein einzelnes TEE eine elektrische Spannung von bis zu 1,2V und einen Strom von bis zu 3A/m2 abgeben kann, ist eine Serien - bzw. Parallelschaltung insbesondere dann von Vorteil, wenn auf einfachem Weg die elektri- sehen Ausgangsparameter angepasst werden können. Beispielsweise um direkt einen Verbraucher betreiben zu können, oder ggf. in einem nachgelagerten Spannungskonverter die Ausgangsspannung anzupassen.
Eine Weiterbildung kann darin bestehen, dass keine Isolierschicht 28 vorhanden ist, die Deck- läge 4 des unteren und die Trägerlage 3 des darauf angeordneten TEEs somit in elektrischem Kontakt stehen. In diesem Fall könnte eine der beiden Lagen weggelassen werden, so dass die Decklage des unteren, die Trägerlage des darauf angeordneten Elements bildet. In diesem Fall ist der gesamte Stackaufbau 27 in Serie geschaltet, die Ausgangsspannung wird dann an der Trägerlage 3 des untersten Elements 1 und an der Decklage 4 des obersten Elements 1 abge- griffen.
Abschließend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei- che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Thermo-Elektrischen- Generators, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutz - umfang mit umfasst.
In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des Thermo-Elektrischen-Generators gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Figuren ver- wendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Figuren hingewiesen bzw. Bezug genommen.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Thermo-Elektrischen-Generators dieser bzw. dessen Bestandteile teilweise un- maßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden. Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1-3 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Bezugszeichenaufstellung Thermo-Elektrisches-Element (TEE)
Aktives Element
Trägerlage, Ableitungselektrode
Decklage, Ableitungselektrode
n-Halbleiter p-Halbleiter
p-n-Übergang
Thermische Energie
Flachseite, warm
Temperaturgradient Elektrische Spannung
Verbraucher
Elektrischer Strom
Flachseite, kalt
Schutzschicht Flachseite
Elektrode
Fotovoltaik-Element
Licht- Eintritts seite
Licht Grundfläche, Rückseite
Energie-Umwandlungselement
Spannungswandler
Ableitungselektroden des Fotovoltaik- Elements
Energieabgabeabschnitt Ableitungselektroden des Thermo- Elektrischen-Elements
Steckaufbau
Isolierschicht
Elektrisches Verschaltungsnetzwerk

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Thermo-Elektrisches-Element (1), umfassend eine elektrisch leitende Trägerlage (3), ein aktives Element (2), eine elektrisch leitende Decklage (4), wobei die Trägerlage (3) und die Decklage (4) die Ableitungselektroden bilden, wobei ferner das aktive Element (2) einen p-n-Übergang (7) von einem n-Halbleiter (5) auf einen p-Halbleiter (6) aufweist und wobei das aktive Element (2) zwischen der Trägerlage (3) und der Decklage (4) und mit diesen elektrisch leitend verbunden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der n- Halbleiter (5) aus der Gruppe der Cyanoferrate gebildet ist.
2. Thermo-Elektrisches-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (2) auf der Trägerlage (3) angeordnet ist und auf dem aktiven Element (2) die Decklage (4) angeordnet ist.
3. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (3) und die Decklage (4) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
4. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass das aktive Element (2) als Schichtaufbau ausgebildet ist.
5. Thermo-Elektrisches-Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der p-Halbleiter (6) auf der Trägerlage (3) angeordnet ist.
6. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Halbleiter (5) durch Hexacyanoferrat gebildet ist.
7. Thermo-Elektrisches-Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Halbleiter (5) durch Eisen(III)-Hexacyanoferrat(II/III) gebildet ist.
8. Thermo-Elektrisches-Element nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Halbleiter (5) mit zumindest einem Stoff aus der Gruppe der Metalloxide dotiert ist, beispielsweise mit Ti02, Si-P, GaAs, InSb, CdS, ZnSe, Ge, Te, A1203, Fe203.
9. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der p-Halbleiter (6) aus einem der Gruppe PEDOT:PSS, GaSb/PEDOT und Si gebildet ist.
10. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (3) durch ein transparentes Substrat gebildet ist, auf welchem eine transparente Elektrode aufgebracht ist.
11. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Trägerlage (3) durch ein elastisch rückstellbares Substrat gebildet ist.
12. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (3) und/oder die Decklage (4) durch einen metallischen Leiter gebildet ist.
13. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (3) durch eine Kollektorschicht gebildet ist.
14. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Trägerlage (3) und/oder die Decklage (4) durch eine elektrisch leitende
Gitterstruktur gebildet ist.
15. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass über den Abschnitten des aktiven Elements (2), welche nicht durch die Trägerlage (3) und die Decklage (4) abgedeckt sind, eine Schutzschicht (15) aufgebracht ist.
16. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem aktiven Element (2) jeweils abgewandten Seite der Trägerlage (3) und/oder der Decklage (4) eine Schutzschicht (15) aufgebracht ist.
17. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (2) eine Dicke im Bereich von ΙΟμιη bis 1mm aufweist, bevorzugt im Bereich von ΙΟμιη bis 50mm.
18. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Decklage (4) zumindest ein weiteres aktives Element (2) mit einer Decklage angeordnet ist.
19. Thermo-Elektrisches-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander angeordnet, ein wiederholter Aufbau aus Trägerlage, aktivem Element und Decklage vorhanden ist.
20. Energie-Umwandlungselement (22) umfassend ein Fotovoltaisches-Element (18) und ein Thermo-Elektrisches-Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Fo- tovoltaische-Element (18) eine Eintritts seite (19) für optische Energie (20) und eine dieser gegenüberliegende Grundfläche (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermo- Elektrische-Element (1) mit seiner Trägerlage (3) thermisch kontaktierend auf der Grundfläche (21) angeordnet ist.
21. Energie-Umwandlungselement nach Anspruch 20, wobei das Fotovoltaische- Element (18) seine generierte elektrische Energie über Ableitungselektroden (24) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitungselektroden (24) des Fotovoltaik-Elements (18) und die Ableitungselektroden (26) des Thermo-Elektrischen-Elements (1) über einen Span- nungswandler (23) mit einem elektrischen Kontaktabschnitt (25) verbunden sind.
22. Energie-Umwandlungselement nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermo-Elektrische-Element (1) mittels einer Spannvorrichtung oder einer Klemmvorrichtung an dem Fotovoltaik-Element (18) angeordnet ist.
23. Energie-Umwandlungselement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermo-Elektrische-Element (1) mittels einer Haftverbindung am Fotovoltaik-Element (18) angeordnet ist.
24. Energie-Umwandlungselement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen der Grundfläche (21) und der Trägerlage (3) ein Wärmeleitmittel angeordnet ist.
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