Equipe Matériaux à Propriétés Thermoélectriques

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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
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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

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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
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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

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Générateur thermoélectrique unicouple à forte densité de puissance
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Générateur thermoélectrique unicouple à forte densité de puissance

Dernières publications

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
Accordéons

Thématiques de recherche

Contenu

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 :

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 :

Post-doctorat :

  • Soufiane EL-OUALID

Articles :

Savoir-faire

Contenu

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

Modélisation

  • Modélisation par éléments finis appliquée à la thermoélectricité

Membres

Contenu

Enseignants-Chercheurs

Personnels d'appui à la recherche

  • Philippe MASSCHELEIN

Doctorants

  • Swagata PATRA
  • Ilayda TERZI
  • Arthur WIEDER

Post-doctorants et CDD

  • Rana GHANNAM
Contact équipe

Publications

Articles

Thèses

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Responsable d'équipe
Bertrand LENOIR
bertrand.lenoir@univ-lorraine.fr
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