ZT – figure of merit (ZT Gütezahl)

Der englische Begriff figure of merit bedeutet Gütezahl. In der Thermoelektrik wird er genutzt, um den Eignung von thermoelektrischen Materialien für Thermoelemente und thermoelektrische Generatoren zu beschreiben. In den entsprechenden Formeln wird die Gütezahl mit „ZT“ bezeichnet.

Eine Temperaturdifferenz an den Enden eines elektrischen Leiters bewirkt eine elektrische Spannung in diesem Leiter. Der Zusammenhang wurde zuerst von Thomas Johann Seebeck beschrieben. Er wird deshalb als Seebeck – Effekt bezeichnet. Die Größe der Spannung ist material- und temperaturabhängig. Das Verhältnis aus elektrischer Spannung und Temperaturdifferenz ist der Seebeckkoeffizient:

S = U/ΔT
mit:
S: Seebeckkoeffizient
U: Spannung
ΔT: Temperaturdifferenz

Der Seebeck – Effekt wird vor allem für die Messung von Temperaturen mit Thermoelementen genutzt. Er gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie durch thermoelektrische Generatoren. Die Vorgänge sind reversibel. Der umgekehrte Prozess, bei dem durch Spannungsunterschiede Temperaturunterschiede erzeugt werden, ist der Peltier – Effekt. Er wird zum Beispiel zur Kühlung in der Mikroelektronik und der Nanotechnik genutzt.

Die Gütezahl ZT ist dimensionslos. Sie wächst mit dem Quadrat des Seebeckkoeffizienten, mit der mittleren absoluten Betriebstemperatur und der elektrischen Leitfähigkeit. Er sinkt mit der spezifischen Wärmeleitfähigkeit. Alle diese Größen sind temperaturabhängig.

In der Definitionsgleichung müssen die Stoffwerte als Funktion der Temperatur berücksichtigt werden:

 

ZT = Seebeckkoeffizient zum Quadrat * absolute Temperatur * elektrische Leitfähigkeit / spezifische Wärmeleitfähigkeit

Für die Bestimmung der Gütezahl elektrischer Leiter und Halbleiter stehen bei Linseis präzise Messgeräte zur Verfügung, mit denen die einzelnen Stoffwerte gemessen und der ZT – Wert errechnet werden kann.