Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La recherche de nouvelles sources d'énergies non polluantes est devenue un enjeu majeur de nos sociétés modernes. Ainsi, l’intérêt pour la thermoélectricité s’est vu relancé, en particulier à cause de l'émergence des préoccupations environnementales concernant les gaz utilisés en réfrigération et les émissions de gaz à effet de serre. Les effets thermoélectriques permettent la transformation d'énergie calorique en énergie électrique, ou l'inverse, et ses applications comportent la production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue et le micro-refroidissement. Les deux principaux axes de recherche concernent, d'une part, le développement de nouveaux matériaux à structures complexes et/ou ouvertes et, d'autre part, le développement de matériaux connus, sous de nouvelles formes de basse dimensionnalité (puits quantiques, nanofils, nanograins, couches minces...).
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The search for new non-polluting energy sources has become a major challenge for our modern societies. Therefore, the interest in thermoelectricity has increased, notably due to the emergence of environmental concerns regarding cooling gases and greenhouse gases emissions. The thermoelectric effects allow for transforming caloric energy into electric energy or reversely and their applications include the production of electricity from sources of waste heat and micro-cooling. The two main research axis concern, the development of new materials with complex and/or open structures and, the development of known materials under new forms of reduced dimensionality (quantum wells, nanowires, nanograins, thin layers, etc.)
Auteur(s)
-
Claude GODART : Docteur - Directeur de Recherches CNRS - CNRS-ICMPE – UMR 7182 – CMTR
INTRODUCTION
Les effets thermoélectriques (TE) permettent la transformation d'énergie calorique (ou thermique) en énergie électrique, ou l'inverse, et ses applications comportent donc les deux volets : (micro)-refroidissement ou production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue.
La recherche de nouvelles sources d'énergies non polluantes est devenue un enjeu majeur de nos sociétés modernes après notamment la signature du protocole de Kyoto. C'est pourquoi la génération d'électricité à partir de chaleur perdue aux moyens de modules thermoélectriques (voir : effet Seebeck) apparaît à ce jour comme un réservoir d'énergie « verte ». Outre cet aspect de production d'électricité, les matériaux thermoélectriques, à même de refroidir (voir : effet Peltier), constituent un moyen d'évacuer la chaleur des composants de la microélectronique. Pour les premiers, la faible efficacité des systèmes thermoélectriques en a longtemps limité l'intérêt. Pour les derniers, les méthodes classiques (air/eau), ne correspondent plus aux besoins en raison de la miniaturisation et des densités de puissance à dissiper. Dans les deux cas, de nouveaux concepts ont conduit depuis 1995 à des progrès assez remarquables qui justifient l'apparition très récente du thème dans de nombreuses conférences et les programmes nationaux de divers pays.
La compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans la thermoélectricité et le développement de matériaux à propriétés TE se sont principalement déroulés durant deux périodes d'activité intense.
De 1821 à 1851, les trois effets thermoélectriques (Seebeck, Peltier et Thomson) ont été découverts et compris du point de vue macroscopique. Leurs possibilités d'application à la mesure de température, à la réfrigération et à la génération d'électricité ont également été reconnues. Ensuite, de la fin des années 1930 au début des années 1960 s'est déroulée une période de progrès important, durant laquelle s'est développée une compréhension des phénomènes à l'échelle microscopique et ont été découverts et optimisés la plupart des matériaux semi-conducteurs utilisés à l'heure actuelle. Cependant, l'efficacité de ces matériaux était très insuffisante pour concurrencer la réfrigération par cycle de compression-détente ou pour des applications de génération d'électricité rentables économiquement, et la fin de cette période de recherche est bien résumée par : « Thermoelectricity, the breakthrough that never came true ».
Plus récemment, depuis le début des années 1990, un regain d'intérêt pour la thermoélectricité est apparu, dû en particulier à l'émergence de préoccupations environnementales concernant les gaz utilisés en réfrigération et les émissions de gaz à effet de serre, et la volonté de développer des sources d'énergie alternatives.
Les deux principaux axes de recherche suivis concernent, d'une part, le développement de nouveaux matériaux à structures complexes et/ou ouvertes et, d'autre part, le développement de matériaux connus sous de nouvelles formes de basse dimensionnalité (puits quantiques, nanofils, nanograins, couches minces, nanocomposites...). Parmi les nouveaux matériaux, plusieurs possèdent des propriétés thermoélectriques intéressantes pour des applications en génération d'électricité dans la gamme 200-700 oC, et devraient permettre d'améliorer les rendements de conversion de chaleur en électricité. L'amélioration des architectures des matériaux dans les modules TE et les potentialités des nanostructures devraient permettre de dépasser les 14 % d'efficacité de conversion atteints en 2004 .
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Nanomatériaux thermoélectriques
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3. Matériaux thermoélectriques récents
L'utilisation des différents processus décrits précédemment pour minimiser la conductivité thermique a conduit à une augmentation notable des valeurs de ZT depuis les années 1995 dans plusieurs familles de composés . Remarquons de suite que le facteur de mérite des anciennes familles a pu être augmenté, mais surtout que la découverte de nouvelles familles a non seulement accru ZT mais a étendu les domaines de température où la thermoélectricité peut être utilisée. La valeur maximale de ZT dans plusieurs familles dépasse 1,3 (soit 30 % d'amélioration en 10 ans environ). La meilleure valeur atteinte dans un matériau massif est actuellement de 1,7 . Les courbes des meilleures valeurs de ZT (T ) actuellement obtenues dans des matériaux massifs sont reportées dans les figures 6 et pour les types p et n respectivement. Observons que les performances améliorées de ces nouveaux matériaux ont été obtenues :
-
dans des structures cristallines complexes (clathrates, Yb 14MnSb11 , phases de Chevrel, oxydes à désaccord de paramètres (« misfits ») ;
-
par la présence de cages vides dans la structure (skutterudites, clathrates, penta-tellurures...) ;
-
avec des défauts...
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Matériaux thermoélectriques récents
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAILLAT (T.), KISOR (A.) , LARA (L.) et coll - Progress Status of Skutterudite-Based Segmented Thermoelectric Technology Development. - Proceedings : 23rd International Conference on Thermoelectrics Adelaide, Australia, 25-29 juil. 2004.
-
(2) - SEEBECK (T.J.) - Magnetisch polarisation der metalle und erze durch temperatur differenz. - Abh. Akad. Wiss., Berlin, 1820-1821, p. 289-346 (1822).
-
(3) - PELTIER (J.C.) - Mémoire sur la formation des tables des rapports qu'il y a entre la force d'un courant électrique et la déviation des aiguilles des multiplicateurs ; suivi de recherches sur les causes de perturbation des couples thermo-électriques et sur les moyens de s'en garantir dans leur emploi à la mesure des températures moyennes. - Annales de Chimie (Paris), 1, p. 371 (1834).
-
(4) - THOMSON (W.) - On the dynamical theory of heat. Part VI. Thermoelectric Currents. - Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, p. 91 (1851).
-
(5) - MAHAN (G.D.), SALES (B.C.) , SHARP (J.) - Thermoelectric materials : new approaches to an old problem. - ...
ANNEXES
1 À lire également dans nos bases
FOURNIER (J.-M.) - SALVI (C.) - STOCHKOLM (J.) - Thermoélectricité : le renouveau grâce aux nanotechnologies. - [NM 5 100] Nanotechnologies (2006).
FEIDT (M.) - Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines particulières. - [BE 8 096] Génie énergétique (2003).
FÉGER (D.) - Refroidissement des détecteurs optoélectroniques. - [E 4 070] Électronique (1994).
DE NOVION (C.-H.) - LESUEUR (D.) - L'état métallique. Propriétés électroniques et physiques. - [M 40] Étude et propriétés des métaux (1979).
SAVELLI (M.) - GASQUET (D.) - Physique des dispositifs électroniques. - [E 1 100] Électronique (1996).
HAUT DE PAGE2 Synthèse brevets (Office européen)
Recherche sur : THERMOELECTRIC + TERM (tableau )
Statistique : Déc. 2008
La répartition des brevets est donnée sur la figure .
HAUT DE PAGE3 Conférences, colloques (2004-2009)
La...
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