Equipe Matériaux à Propriétés Thermoélectriques

Vue en perspective de la maille cubique de la tétraédrite Cu12Sb4S13 en représentation ellipsoïde (niveau de probabilité de 95%). Les atomes Cu1, Cu2, Sb et S sont représentés par des ellipsoïdes bleu foncé, vert, marron et jaune, respectivement

Vue en perspective de la maille cubique de la tétraédrite Cu₁₂Sb₄S₁₃ en représentation ellipsoïde (niveau de probabilité de 95%). Les atomes Cu1, Cu2, Sb et S sont représentés par des ellipsoïdes bleu foncé, vert, marron et jaune, respectivement

Image HAADF-STEM de monocristaux (PbSe)5(Bi2Se3)3m prise le long de l'axe de zone 010. La structure cristalline est représentée dans l’image (atomes Pb en vert, atomes Bi en rose et atomes Se en jaune). L’image inférieure montre le diagramme de diffraction d'électrons correspondant

Image HAADF-STEM de monocristaux (PbSe)₅(Bi₂Se₃)_3m prise le long de l'axe de zone 010. La structure cristalline est représentée dans l’image (atomes Pb en vert, atomes Bi en rose et atomes Se en jaune). L’image inférieure montre le diagramme de diffraction d'électrons correspondant

Générateur thermoélectrique unicouple à forte densité de puissance

Dernières publications

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Journal of Alloys and Compounds, 2024, 976, pp.173275. ⟨10.1016/j.jallcom.2023.173275⟩
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Présentation

L’exploitation des effets thermoélectriques permet de convertir de manière élégante de l’électricité pour produire du "froid" (effet Peltier) ou toute source de chaleur pour produire de l’électricité (effet Seebeck). Les études menées au sein de l’équipe adressent les défis que pose la technologie thermoélectrique. Ils concernent :

l’identification et le développement de nouveaux matériaux thermoélectriques ayant des performances de conversion accrues par rapport aux matériaux conventionnels
la compréhension des mécanismes intrinsèques responsables des phénomènes de transport électronique et thermique dans les matériaux thermoélectriques
la recherche de solutions innovantes pour la fabrication et la fiabilisation des modules thermoélectriques

L’équipe s’intéresse principalement aux matériaux semi-conducteurs dégénérés à faible bande interdite, qui sont les matériaux de choix pour la thermoélectricité. La synthèse de ces matériaux se fait soit sous forme monocristalline soit sous forme polycristalline par voie liquide ou à partir de techniques de métallurgie de poudre.

Grâce à son parc expérimental unique, l’équipe peut sonder les propriétés électriques, thermiques et galvanomagnétiques de ces matériaux sur une large gamme de température (2 – 1500 K). Elle s’appuie aussi sur les grands instruments (ILL - ESRF) pour approfondir sa connaissance de la dynamique de réseau des matériaux élaborés.

Une autre spécificité de l’équipe est son implication dans l’ingénierie des modules thermoélectriques. Cette activité de recherche regroupe toutes les actions visant à modéliser, fabriquer et fiabiliser les modules thermoélectriques.

Mots-clés

Thermoélectricité

Matériaux thermoélectriques

Propriétés électriques et thermiques

Synthèse de matériaux

Modules thermoélectriques

Modélisation

Thématiques de recherche

Synthèse et caractérisation de matériaux thermoélectriques conventionnels ou avancés

L’équipe travaille sur plusieurs familles de matériaux prometteurs pour la génération d’électricité, dont les composés chalcogènures et les phase de Zintl :

Les semi-conducteurs SnTe et Bi₂Te₂Se sont deux composés définis qui présentent la particularité de pouvoir être dopés par des impuretés résonantes. Cette spécificité ouvre des perspectives intéressantes pour moduler avantageusement les propriétés électroniques de ces matériaux.
Dans le cas des phases de Zintl, le challenge est de découvrir des matériaux de type n performants. Cette étude se fait en collaboration (ANR PRCI) avec l’Université de Koç, Turquie (équipe d’Umut Aydemir).

Les travaux sur les matériaux conventionnels ou avancés ont en commun la synthèse et la caractérisation fines de leurs propriétés électriques et thermiques. De plus, elles bénéficient du support de calculs de structures électroniques ab-initio grâce à une collaboration de longue date avec l’Université de Cracovie, Pologne (équipe de Janusz Tobola et Bartlomiej Wiendlocha)

Projet :

ANR DENZIP 2019-2022

Thèses :

Thèse ministérielle Adèle LEON
Thèse ANR / Région : Oussama EL-HAMOULI

Articles :

High temperature thermoelectric properties of the tetradymite Bi2-xPbxTe2Se (0 ≤ x ≤ 0.03), Léon et al., Applied Physics Letter, 2021, 119, 232103
Band structure engineering in Sn_1.03Te through an In-induced resonant level, J. Mat. Chem. C, 2020, 8, 977, Misra et al.

Développement de modules thermoélectriques pour des applications en génération ou co-génération d’électricité

Bien que la technologie thermoélectrique possède de nombreux avantages (conversion directe de l’énergie, convertisseurs à l’état solide, grande fiabilité, etc.), plusieurs obstacles doivent être surmontés pour qu’elle soit viable dans des applications en génération d’électricité. Il faut notamment veiller à la stabilité thermique et chimique des matériaux et des interfaces en service. L’équipe s’intéresse à ces problématiques dans le cadre de l’ANR i-HEPHAISTOS, qui a pour objectif de fabriquer des modules à base de skutterudites à bas coût pour des applications à températures modérées.

Elle est aussi impliquée dans le développement de modules thermoélectriques à forte densité de puissance intégrant des matériaux avancés. Ce travail fait l’objet d’un projet de maturation (projet MOTHEL).

L’équipe est par ailleurs engagée dans le projet ANR HYDRES dont l’objectif est de concevoir un dispositif permettant de récupérer l’énergie perdue thermiquement dans une cellule solaire photovoltaïque en couplant à cette cellule un générateur thermoélectrique.

Projets :

Maturation MOTHEL, 2020-2021 (voir sur le site de SATT SAYENS)
ANR i-HEPHAISTOS, 2021-2024
ANR HYDRES, 2022-2025

Post-doctorat :

Soufiane EL-OUALID

Articles :

High power density thermoelectric generators with skutterudites, El-Oualid et al., Advanced Energy Materials, 2021, 2100580, Cover page

Savoir-faire

Synthèse

Elaboration de semi-conducteurs (IV-VI, V-V, V-VI, etc.) monocristallins et de grande dimension
Elaboration de matériaux thermoélectriques polycristallins
Assemblage de jambes thermoélectriques par technique SPS
Fabrication de modules thermoélectriques

Caractérisation

Caractérisation des propriétés électriques, thermiques et galvanomagnétiques de matériaux sur une plage étendue de température (2 – 1500 K)
Mesures de résistances électriques de contact
Caractérisation de générateurs thermoélectriques