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RÉSUMÉ
Historiquement, la génération thermoélectrique a occupé uniquement des applications de niche dans le domaine spatial. Cependant, avec l'amélioration récente de ces matériaux et la prégnance des problèmes environnementaux et énergétiques, les systèmes de récupération des pertes thermiques basés sur la conversion thermoélectrique pourraient jouer un rôle important dans le développement d'une solution énergétique durable. Cet article présente les avancées récentes dans le domaine des matériaux thermoélectriques nanostructurés et architecturés en mettant l'accent sur les stratégies appliquées pour diminuer la conductivité thermique.
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Historically, thermoelectric generation has only occupied niche applications in space domains. However, with recent material improvements and the rise in energy and environmental issues, thermoelectric waste heat recovery systems could play an important role in the development of a sustainable energy solution. This article presents recent advances in the field of nanostructured and architectured thermoelectric materials, highlighting the strategies used to reduce thermal conductivity.
Auteur(s)
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Stéphane GORSSE : Docteur - Maître de conférences à l'ENSCBP-IPB - CNRS, ICMCB, UPR 9048, F-33600 Pessac, France - Université de Bordeaux, ICMCB, UPR 9048, F-33600 Pessac, France
INTRODUCTION
Les générateurs thermoélectriques sont des dispositifs statiques et autarciques qui permettent de convertir l'énergie thermique en énergie électrique . Ils sont constitués de l'assemblage de plusieurs paires de semi-conducteurs de type n et p (thermoéléments), connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle. La chaleur appliquée sur une face du générateur thermoélectrique force les électrons (dans le matériau de type n) et les trous (type p) à migrer vers la face opposée (froide), ce qui génère une tension électrique due à l'effet Seebeck et un courant électrique entraîné par le flux de chaleur.
En raison de sa fiabilité, sa compacité et sa robustesse, ainsi que de l'absence de partie mobile et de vibration, la conversion thermoélectrique s'est imposée comme une technologie vitale pour les applications spatiales en fournissant une source électrique aux sondes interplanétaires Pioneer, Voyager, Ulysse, Galileo et Cassini, ainsi qu'aux missions lunaires Apollo et martiennes Viking, pour un total de plusieurs millions d'heures d'opération dans l'espace. Ces applications utilisent la désintégration nucléaire d'isotopes radioactifs comme source de chaleur, et un générateur, dit « radio-isotopique », fournit une puissance électrique en convertissant la chaleur émise par le cœur radioactif.
Sur Terre, les sources de chaleur produites par l'activité industrielle et les transports sont abondantes et gratuites (car perdues). L'automobile est un exemple emblématique puisque les trois-quarts de l'énergie produite par la combustion d'hydrocarbures sont rejetés par l'échappement ou dissipés par le circuit de refroidissement. La diminution des normes d'émission en CO2 des automobiles, et donc de la consommation en carburant, est un enjeu majeur du point de vue environnemental, et des mesures contraignantes instituées par la Commission européenne prévoient de ramener ces émissions à 130 g/km en 2012 et 95 g/km d'ici 2020. Dans le même temps, le développement rapide des équipements automobiles, comme les systèmes d'aide à la conduite, de navigation et de sécurité active, nécessite toujours plus d'énergie électrique, ce qui entraîne une augmentation de la consommation. L'idée d'intégrer aux automobiles un système de récupération des pertes thermiques basé sur un convertisseur thermoélectrique offre la possibilité d'exploiter les dizaines de kilowatts de chaleur perdue pour générer de l'électricité sans charge additionnelle sur le moteur. L'utilisation d'un dispositif thermoélectrique permettrait de réaliser jusqu'à 10 % d'économie de carburant en alimentant l'ensemble des accessoires du véhicule, en faisant l'économie de l'alternateur et de l'énergie qu'il consomme, et en utilisant ce surplus de production électrique pour la propulsion dans le cas des voitures hybrides. Le soleil est une autre source d'énergie abondante et gratuite qui pourrait être exploitée de façon compétitive en utilisant la conversion thermoélectrique .
De telles applications, dont on mesure bien les avantages, ont une portée limitée par les critères auxquels doivent répondre les matériaux. L'une de ces contraintes réside dans une combinaison de propriétés conflictuelles, appelée « facteur de mérite », contrôlant le rendement de conversion thermoélectrique. Améliorer la performance des matériaux thermoélectriques est un défi qui généralement consiste à minimiser la conductivité thermique sans affecter le transport électronique. Il est relevé en chimie du solide par le développement de matériaux semi-conducteurs à structures complexes et/ou ouvertes [N 1 500]. Une approche alternative, qui est décrite dans cet article, est d'agir sur la nano/microstructure afin de modifier indépendamment les caractéristiques de diffusion pour les électrons et les phonons, et de contrôler la dépendance thermique du facteur de mérite en concevant des matériaux architecturés dont les composants opèrent à leur température d'efficacité maximale lorsque le générateur thermoélectrique est placé dans un large domaine de températures.
KEYWORDS
nanostructured materials | architectured materials
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2. Matériaux thermoélectriques nanostructurés
2.1 Conductivité thermique et nanostructuration
Dans les solides, la chaleur est transportée par la conduction des phonons à travers le réseau,
, et par les électrons, κe . La contribution du réseau peut être modifiée indépendamment du terme électronique et s'exprime par le modèle de Debye :
![](figures/ul-n1510niv10002/1/sl10584578-web.gif)
où CV est la capacité thermique, vs la vitesse du son dans le matériau, λph et τph sont le libre parcours moyen et le temps de vie moyen des phonons.
À haute température (au-dessus de la température de Debye), la vitesse du son et la capacité thermique sont quasi constantes (loi de Dulong et Petit : CV (T → ∞) = 3 R avec R la constante des gaz parfaits), et le libre parcours moyen des phonons est le facteur déterminant. La conductivité thermique de réseau est donc gouvernée par λph et varie en 1/T. Diminuer la conductivité thermique des matériaux thermoélectriques sans affecter leur conductivité électrique requiert donc un mécanisme qui disperse les phonons sur un large domaine de longueurs d'onde allant de 1 nm à 10 μm. Différents mécanismes limitent la conduction des phonons et peuvent être mis en jeux dans les semi-conducteurs thermoélectriques : interactions phonon-électron, phonon-phonon, phonon-défaut ponctuel (atomes de soluté), phonon-surface et phonon-particule de seconde phase (précipité). Les stratégies permettant d'exploiter ces phénomènes diffèrent suivant les disciplines :
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en chimie du solide [N 1 500] ...
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Matériaux thermoélectriques nanostructurés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - YANG (J.), CAILLAT (T.) - * - MRS Bulletin, 31, p. 224 (2006).
-
(2) - YAZAWA (K.), SHAKOURI (A.) - Environmental science and technology. - DOI 10.1021/es2005418 (2011).
-
(3) - KRAEMER (D.) et al - * - Nature Materials, 10, p. 532 (2011).
-
(4) - ASHBY (M.F.) - * - In : Materials selection in mechanical design (1st ed.), Pergamon Press (1992).
-
(5) - HEIKES (R.R.), URE (R.W.) Jr - * - In : HEIKES (R.R.), URE (R.W.) Jr. (Eds.), Thermoelectricity : Science and Engineering, Interscience Publishers, Chapter 1, p. 1-6, New York, London (1961).
-
(6) - WOOD (C.) - * - Rep. Prog. Phys., 51, p. 459 (1988).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Laboratoires – Centres de recherche – Bureaux d'étude
Laboratoires ayant une activité de recherche dans le domaine de la thermoélectricité
Institut de Chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) http://www.icmcb-bordeaux.cnrs.fr/
Institut Charles Gerhardt (ICG, Montpellier) http://www.icgm.fr/
Laboratoire de cristallographie et science des matériaux (CRISMAT, Caen) http://www-crismat.ensicaen.fr/
Institut Jean Lamour (IJL, Nancy) http://www.ijl.nancy-universite.fr/
Institut de chimie et matériaux Paris-Est (ICMPE, Thiais) http://www.icmpe.cnrs.fr/
Laboratoire de physique des solides (LPS, Orsay) http://www.lps.u-psud.fr/
Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Énergies Nouvelles et les nanomatériaux (CEA LITEN, Grenoble) http://www-liten.cea.fr/
Unité Sciences Chimiques de Rennes (USCR) http://www.scienceschimiques.univ-rennes1.fr/
Laboratoire ondes et matières d'Aquitaine (LOMA, Bordeaux) http://www.loma.cnrs.fr/
Branche thermique de l'Institut P' (Poitiers) http://www.let.ensma.fr/
Laboratoire de spectroscopie en lumière polarisée (ESPCI, Paris) http://www.espci.fr/recherche/labos/upr5/site/
Laboratoire...
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