Micro-nano générateurs thermoélectriques 1

Les matériaux et dispositifs (ou modules) thermoélectriques permettent une conversion à l’état solide de la chaleur perdue en électricité. Les générateurs thermoélectriques sont indispensables à la construction d’une société IoT avancée et contribueront aux objectifs de neutralité carbone. Ce chapitre donne un aperçu des stratégies fondamentales pour le développement de matériaux thermoélectriques à haute performance.

Ce chapitre présente les contributions historiques des méthodes de calcul à la découverte et au développement des matériaux thermoélectriques, et met en lumière certaines avancées récentes. Les approches computationnelles et basées sur les données ont joué un rôle essentiel dans la création de nouveaux matériaux et l’optimisation de ceux existants. Plusieurs exemples de recherches à haut débit utilisant des calculs ab initio et/ou l’apprentissage automatique y sont abordés.

Le tellurure satisfait aux exigences de performance requises pour les applications thermoélectriques et demeure actuellement un matériau d’usage courant. Toutefois, l’intérêt se déplace progressivement vers des composés plus abondants et écologiques, comme les sulfures et les séléniures. Ce chapitre donne un aperçu de divers chalcogénures de cuivre et d’argent présentant une performance thermoélectrique élevée.

Les sulfures constituent des candidats prometteurs pour des matériaux thermoélectriques à la fois écologiques et économiques. Ce chapitre passe en revue les avancées récentes dans le domaine des sulfures thermoélectriques, ainsi que les tentatives de développement de modules thermoélectriques basés sur ces composés pour la récupération de chaleur perdue. Il propose également un bref aperçu des perspectives futures et des défis associés à l'amélioration des performances et des applications.

Ce chapitre commence par expliquer comment la corrélation électronique modifie les états électroniques, avant de montrer comment elle peut améliorer la performance thermoélectrique des oxydes de métaux de transition. En tenant compte des atouts des matériaux oxydes (stabilité chimique à haute température, faible densité de masse, facilité de mise en forme), certains d’entre eux sont proposés comme de bons candidats pour des applications à haute température.

Ce chapitre vise à explorer la génération de puissance à l’échelle du microwatt, à partir de différences de température de quelques degrés à plusieurs dizaines de degrés Celsius présentes dans l’environnement. Une bonne correspondance d’impédance thermique entre les sources de chaleur et les générateurs est essentielle. Ce chapitre résume l’état actuel des connaissances sur les propriétés thermoélectriques des nanotubes de carbone, ainsi que les principales méthodes de contrôle de ces propriétés, notamment par dopage chimique.

Ce chapitre présente le concept fondamental de la mesure de la chaleur de Thomson et son application à l’échelle absolue de la thermoélectricité. Il décrit la méthode conventionnelle, la méthode AC–DC récemment développée, la technique du 2ω et la technique d’imagerie thermique à verrouillage de phase (lock-in), puis propose une synthèse et une perspective.

La méthode ultrarapide par flash laser constitue une approche physique et mathématique rigoureuse pour mesurer et déterminer la diffusivité thermique dans les films minces, avec une faible incertitude. La réponse périodique en température est développée en série de Fourier afin de permettre l’ajustement du signal de thermoréflectance sur l’ensemble de la plage des intervalles d’impulsions.