Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les polymères conducteurs sont au cœur du développement d’une nouvelle génération de dispositifs thermoélectriques. Leur flexibilité, leur facilité de mise en forme, leur faible toxicité, les rendent très attractifs pour des applications à large échelle. Alors que le dopage permet d’augmenter leur conductivité électrique, il entraîne une diminution du coefficient de Seebeck ce qui limite encore leurs performances. À l’heure actuelle, différentes stratégies sont étudiées pour décorréler l’évolution de ces deux propriétés et obtenir des matériaux performants.
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Conducting polymers are of great interest for the development of a new generation of thermoelectric systems. Due to their flexibility, ease of processing and low toxicity, they are very attractive for large scale application. While their doping increases their electrical conductivity, it affects their Seebeck coefficient and their performance remains limited. Different strategies are currently under study to decorrelate these parameters.
Auteur(s)
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Jennifer PERON : Maître de conférences - Laboratoire Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes - ITODYS, UMR CNRS 7086, Université Paris Diderot, Paris
INTRODUCTION
L'effet thermoélectrique est un phénomène physique qui permet de convertir une énergie électrique en différence de température (effet Peltier) ou inversement une différence de température en énergie électrique (effet Seebeck). Outre l'utilisation de la thermoélectricité pour la thermométrie ou la réfrigération, les dispositifs exploitant cet effet ont un intérêt pour la récupération de la chaleur dégagée ou perdue sur des installations exothermiques. Dans le contexte économique et environnemental actuel, ces systèmes ont un fort potentiel de développement et devraient permettre de réduire la consommation d'énergie par récupération de la chaleur perdue et éventuellement d'améliorer le rendement de certains dispositifs en limitant les effets de surchauffe. Le développement de matériaux capables de s'adapter à des géométries complexes et d'exploiter de faibles différences de température pourrait permettre par exemple de récupérer la chaleur humaine ou la chaleur de dispositifs portables utilisés quotidiennement et offrirait des potentialités quasi illimitées de récupération d'énergie... C'est dans ce créneau et avec cet objectif, pour des températures d'utilisation proches de la température ambiante, que sont développés les polymères pour la thermoélectricité.
Les performances d'un matériau thermoélectrique sont caractérisées par le facteur de mérite adimensionnel dont l'expression est donnée ci-après :
Le facteur de mérite ZT est donc le produit de la conductivité électrique σ et du coefficient de Seebeck α divisé par la conductivité thermique κ. Un bon matériau thermoélectrique doit donc présenter une conductivité électrique élevée (cas des métaux) et un coefficient de Seebeck élevé tout en étant un bon isolant thermique (cas des isolants). L'effet thermoélectrique est observable dans la plupart des matériaux conducteurs (sauf pour les superconducteurs en dessous de Tc), cependant la figure de mérite est optimale pour des concentrations en porteurs caractéristiques des matériaux semi-conducteurs. Ce comportement a été tout d'abord mis en évidence pour certains semi-conducteurs inorganiques, et notamment le tellurure de bismuth qui, avec un ZT proche de 1, reste à ce jour le matériau de référence pour les applications proches de la température ambiante. De nombreux autres matériaux inorganiques ont été étudiés tels que les clathrates, skutterudites, etc., mais ne sont performants qu'à des températures d'utilisation plus élevées.
Suivant une tendance déjà observée dans d'autres domaines, tels que le photovoltaïque, les transistors, les diodes électroluminescentes, etc., depuis le début des années 2000, le développement de matériaux thermoélectriques organiques a suscité un réel engouement. En effet, la nécessité de développer des systèmes pouvant être facilement mis en forme tout en étant plus flexibles, plus légers, moins toxiques et également moins coûteux que les matériaux inorganiques ont orienté les recherches vers les polymères conducteurs. Par simple modification de leur structure moléculaire, il est possible de moduler leurs propriétés physiques et chimiques et ainsi de les adapter à différentes applications. De plus, le carbone est une ressource abondante, et la synthèse des matériaux organiques par essence économique. Les connaissances actuelles des propriétés et phénomènes de conduction dans les matériaux thermoélectriques polymères ne sont pas aussi avancées que celles acquises sur les matériaux inorganiques largement étudiés depuis les années 1950. Cependant, les travaux déjà menés sur les polymères thermoélectriques permettent déjà d'atteindre des facteurs de mérite de l'ordre de 0,5, et il semble évident que, notamment grâce à leur faible conductivité thermique, les polymères conducteurs électroniques représentent une excellente alternative aux matériaux inorganiques actuels pour des applications proches de la température ambiante. Après une première partie sur les polymères conjugués, les approches théoriques et pratiques d'études et de mesures des conductivités électrique et thermique ainsi que du coefficient de Seebeck seront présentées. L'état de l'art des polymères conducteurs pour des applications thermoélectriques et de leurs hybrides sera présenté dans la troisième partie, et les premiers dispositifs développés avec ces systèmes dans la dernière partie.
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MOTS-CLÉS
Conductivité thermique Conductivité électrique polymères conducteurs coefficient de Seebeck
KEYWORDS
thermal conductivity | electrical conductivity | conducting polymers | Seebeck coefficient
VERSIONS
- Version courante de oct. 2023 par Giorgio MATTANA, Jennifer PERON
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Conclusion
En anglais
4. Générateurs thermoélectriques organiques
4.1 Aspects thermodynamiques/théorie
Les dispositifs thermoélectriques peuvent être utilisés en fonctionnement générateur (figure 5a ) ou pompe à chaleur (figures 5b et 5c ) selon que l'on génère ou que l'on fournisse du travail.
Un bilan thermique montre que les courants de chaleur sont la somme de trois contributions :
-
la puissance Qp , qui dépend du coefficient de Seebeck, s'écrit Qp(Tf) = αTfI au niveau de la jonction froide avec Tf la température de la jonction froide, I le courant électrique, tandis qu'au niveau de la jonction chaude elle s'écrit Qp(Tc) = αTcI avec Tc la température de la jonction chaude ;
-
le courant de conduction dans l'échantillon s'écrit Qcond = KΔT avec K la conductance thermique des branches du couple et ΔT = Tc – Tf ;
-
les pertes par effet Joule qui se répartissent également aux jonctions froide et chaude, soit QJ = 1/2RI2 avec R la résistance électrique totale des branches du couple.
Comme illustré sur la figure 5a, les courants de chaleurs aux niveaux des jonctions froide et chaude dans les thermogénérateurs s'écrivent :
( 6 )
La puissance P est la différence entre les flux de chaleur au niveau des deux jonctions et s'écrit : P = Qc – Qf = αIΔT – RI2. Cette puissance est donc positive dans le cas où le système fonctionne en générateur, et négative dans le cas où il fonctionne en récepteur, c'est-à-dire en pompe à chaleur. Dans le cas générateur, le rendement est donné par η = P/Qc :
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