Aufdeckung von InTe für flexible thermoelektrische Anwendungen mit verbesserter Leistung durch Bi/Se‑Kopladiierung und MnO₂‑Integration

Körperwärme in nutzbare Energie verwandeln

Jeden Tag geht große Energiemenge als Abwärme verloren – von Fabrikmaschinen über Pkw‑Motoren bis hin zu unserem eigenen Körper. Diese Studie untersucht einen neuen Weg, einen kleinen Teil dieser Wärme zurückzugewinnen und in Elektrizität zu verwandeln, mithilfe dünner, flexibler Streifen, die wie Zeitungstinte gedruckt werden können. Die Forschenden konzentrieren sich auf ein wenig bekanntes Material, das Indiumtellurid (InTe) heißt, und zeigen, wie man es so bearbeiten und drucken kann, dass es zukünftige Wearables und kleine drahtlose Sensoren ohne Batterien versorgen könnte.

Ein neues Material für flexible Energiestreifen

Die meisten leistungsfähigen thermoelektrischen Materialien funktionieren nur als harte, spröde Blöcke, die teuer herzustellen und schwer zu biegen sind. Das macht sie ungeeignet für intelligente Kleidung, hautmontierte Gesundheits‑Patches oder flexible IoT‑Geräte. InTe ist anders: Es hemmt den Wärmefluss von Natur aus sehr gut, was für thermoelektrische Leistung vorteilhaft ist, leitet aber für sich genommen Elektrizität nur schlecht. Die zentrale Idee des Teams besteht darin, InTe in eine druckbare „Tinte“ zu verwandeln und seine Zusammensetzung so fein zu justieren, dass sie auf dünne Kunststofffolien aufgetragen werden kann, um flexible thermoelektrische Generatoren zu erzeugen, die sich an gekrümmte Oberflächen anschmiegen.

Vom Pulver zum gedruckten Stromerzeuger

Die Forschenden begannen mit hochreinen Pulvern aus Indium, Tellur, Bismut und Selen. Zunächst reagierten sie diese Pulver in versiegelten Rohren bei hoher Temperatur, um feste Brocken aus InTe und dessen dotierten Varianten zu bilden. Diese Brocken wurden anschließend zu feinen Partikeln gemahlen und mit einer Flüssigkeit und einem Polymerbinder zu einer zähflüssigen Tinte vermischt. Mit einem Standard‑Siebdruckverfahren – ähnlich dem Druck von Motiven auf T‑Shirts – pressten sie diese Tinte durch gemusterte Siebe auf transparente Kunststofffolien. Durch zwölffaches Überdrucken entstanden gleichmäßige Filme, die die aktiven „Beine“ des thermoelektrischen Generators bildeten und anschließend mit gedruckten Silberkontakten verbunden wurden. Die resultierenden Geräte waren dünne, leichte Streifen, die jeweils acht kleine Beine in Reihe enthielten, um aus einem Temperaturunterschied eine brauchbare Spannung aufzubauen.

Material von innen heraus feinabstimmen

Um mehr Leistung aus InTe herauszuholen, veränderte das Team dessen innere Zusammensetzung durch eine „Kopladiierung“ mit Bismut (Bi) und Selen (Se). Indem sie einige Indiumatome durch größere Bismutatome ersetzten und einen kleinen Teil des Tellurs durch Selen ersetzten, veränderten sie das Verhalten der Ladungsträger im Material. Röntgenuntersuchungen zeigten, dass diese Behandlung die Kristallkörner vergrößerte und strukturelle Defekte reduzierte, während die Elektronenmikroskopie offenbarte, dass die gedruckten Filme dichter und durchgängiger wurden. Elektrische Tests bestätigten den Erfolg: Die beste Zusammensetzung, bezeichnet als In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃, zeigte sowohl beweglichere Ladungsträger als auch eine deutlich höhere Spannung pro Grad Temperaturdifferenz, genannt Seebeck‑Koeffizient. Bei einem Temperaturunterschied von 100 Grad erzeugte dieser optimierte Film etwa 195 Millivolt und rund 29,45 Nanowatt Leistung – fast 30‑mal mehr als undotiertes InTe.

Leistungssteigerung durch eine intelligente Verknüpfung

Selbst mit verbessertem InTe erkannte das Team eine weitere Chance: die Zugabe eines zweiten Materials, um winzige interne Übergänge zu schaffen, die den Strom effizienter lenken. Sie mischten Mangan(IV)oxid (MnO₂) bei, das als n‑Typ‑Leiter wirkt, entgegengesetzt zum p‑Typ InTe. An den Stellen, wo sich diese beiden Materialien treffen, bilden sich p–n‑Übergänge, die wie eingebaute Rampen funktionieren, um Ladungsträger zu trennen und zu lenken. Diese Verbundversion des Geräts hatte zwar eine geringere Spannung als die beste kopladiierte Probe, aber einen deutlich kleineren Innenwiderstand, sodass der Strom leichter fließen konnte. Infolgedessen lieferte das gemischte In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃/MnO₂‑Gerät bei demselben Temperaturunterschied von 100 Grad etwa 48,41 Nanowatt – rund 1,6‑mal höhere Leistung dank besserer Leitungswege durch den Film.

Bereit zum Biegen, Flexen und Weiterarbeiten

Für reale Wearables sind Weichheit und Haltbarkeit genauso wichtig wie die elektrische Leistung. Die gedruckten Geräte wurden daher wiederholt gebogen, um zu prüfen, ob sie reißen oder ihre Funktion verlieren. Bei Biegungen bis zu 120 Grad und 500 Zyklen änderte sich ihr elektrischer Widerstand nur um etwa 2 Prozent, was darauf hindeutet, dass die Filme gut an der Folie hafteten und ihre innere Struktur intakt blieb. Obwohl die absoluten Leistungswerte noch im Nanowatt‑Bereich liegen und nicht ausreichend sind, um stromhungrige Geräte zu betreiben, sind sie im Vergleich zu anderen frühen flexiblen thermoelektrischen Geräten in der Fachliteratur wettbewerbsfähig.

Was das für die Alltags‑Technologie bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt diese Arbeit, dass ein vergleichsweise unbekanntes Material, InTe, in eine kostengünstige druckbare Tinte für flexible Wärmeanzugsstreifen verwandelt werden kann. Durch das gezielte Einstellen seiner atomaren Zusammensetzung mit Bismut und Selen und anschließendem Zusatz von MnO₂ zur Schaffung intelligenter interner Übergänge verbesserten die Forschenden die Effizienz, mit der diese Streifen Temperaturdifferenzen in Elektrizität umwandeln, drastisch – ohne die Biegsamkeit zu opfern. Wenn Tinten und Gerätedesigns weiter verfeinert werden, könnten ähnliche gedruckte thermoelektrische Filme eines Tages in Kleidung gewebt, um Rohre geschlungen oder an Maschinen und am menschlichen Körper angebracht werden, um kleine, aber kontinuierliche Energiemengen aus Abwärme zu gewinnen.

Zitation: Shankar, M., Prabhu, A. & Nayak, R. Unveiling InTe for flexible thermoelectric applications with enhanced performance via Bi/Se co-doping and MnO₂ integration. Sci Rep 16, 5597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35782-1

Schlüsselwörter: flexible Thermoelektrik, Abwärmenutzung, druckbare Elektronik, tragbare Energie, Indiumtellurid