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On the Origin of Temperature Induced Performance Degradation of Cu-Contacted Mg2X-Based (X = Si, Sn) Thermoelectric Materials

Deshpande, Radhika und Bahrami, Amin und Kreps, Frederic und He, Ran und Ying, Pingjun und Nielsch, Kornelius und Müller, Eckhard und de Boor, Johannes (2025) On the Origin of Temperature Induced Performance Degradation of Cu-Contacted Mg2X-Based (X = Si, Sn) Thermoelectric Materials. ACS Applied Materials and Interfaces, 17 (19), Seiten 28777-28788. American Chemical society (ACS). doi: 10.1021/acsami.5c00258. ISSN 1944-8244.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
13MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1021/acsami.5c00258

Kurzfassung

Mg2X (X = Si, Sn)-based solid solutions are promising candidates for mid-to-high temperature waste heat recovery, but developing long-term stable thermoelectric generators (TEG) remains challenging. While Mg2X demonstrates excellent thermoelectric performance, it is susceptible to Mg loss, causing changes in carrier concentration through the formation of intrinsic defects. More severe degradation has further been observed for samples following contacting with a metal electrode, presenting an additional challenge for TEG technology advancement. We propose atomic layer deposition (ALD) to first enhance the material stability by suppression of Mg sublimation and second to differentiate between the different degradation mechanisms occurring at high operating temperatures. Our primary results from integral electrical conductivity and Seebeck coefficient measurements on coated samples without a Cu electrode at 723 K show enhanced material stability, while spatially resolved interface characterization of samples with Cu electrodes indicate comparable degradation for both coated and uncoated samples. This confirms Mg−Cu interdiffusion as the primary degradation mechanism for contacted samples with a higher relevance than Mg sublimation. Finally, wavelength-dispersive spectroscopy is used to reveal that the observed reduction in the charge carrier concentration during contacting is primarily due to Mg diffusing into the Cu electrode, not by the diffusion of Cu into the TE material as speculated previously, making this study the first to experimentally demonstrate the relevance of Mg loss into the electrode. By combining ALD coating to inhibit Mg loss with microstructural analysis, we present a methodology to distinguish TE material/electrode-related degradation mechanisms, enabling future advancements in Mg2(Si, Sn)-based TEGs.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220547/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:On the Origin of Temperature Induced Performance Degradation of Cu-Contacted Mg2X-Based (X = Si, Sn) Thermoelectric Materials
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Deshpande, RadhikaNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-1965-3111NICHT SPEZIFIZIERT
Bahrami, AminNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-8851-7351NICHT SPEZIFIZIERT
Kreps, FredericNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
He, RanNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-0295-6837NICHT SPEZIFIZIERT
Ying, PingjunNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nielsch, KorneliusNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-2271-7726NICHT SPEZIFIZIERT
Müller, EckhardNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Boor, JohannesJohannes.deBoor (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1868-3167199007465
Datum:2025
Erschienen in:ACS Applied Materials and Interfaces
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:17
DOI:10.1021/acsami.5c00258
Seitenbereich:Seiten 28777-28788
Verlag:American Chemical society (ACS)
ISSN:1944-8244
Status:veröffentlicht
Stichwörter:thermoelectricity, Mg2Si, electrode, contact, degradation, atomic layer deposition, wavelength-dispersive spectroscopy
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SW - Solar- und Windenergie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Solare Brennstoffe
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Thermoelektrische Materialien und Systeme
Hinterlegt von: de Boor, Johannes
Hinterlegt am:08 Dez 2025 09:18
Letzte Änderung:09 Dez 2025 11:29

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