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
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
- Effect on thermoelectric and mechanical properties of interstitial void filling by Cu in ZrNiSn HH alloy
Shamma Jain, Ajay Kumar Verma, Kishor Kumar Johari, Christophe Candolfi, Bertrand Lenoir, Bhasker Gahtori
Journal of Materials Research, 2024, ⟨10.1557/s43578-024-01456-9⟩ - Influence of SnBi Antisite Defects on the Electronic Band Structure and Transport Properties of the Layered Chalcogenide Semiconductor SnBi2Te4
Ilayda Terzi, Kacper Pryga, Bartlomiej Wiendlocha, Petr Levinský, Soufiane El Oualid, Sylvie Migot, Jaafar Ghanbaja, Christine Gendarme, Thierry Schweitzer, Bernard Malaman, Gérard Le Caër, Bertrand Lenoir, Christophe Candolfi
Journal of Physical Chemistry C, 2024, ⟨10.1021/acs.jpcc.4c06097⟩ - Key Role of Positional Disorder and Soft Structural Framework for Lowering the Thermal Conductivity of Quaternary Ag1-xCu3+xTiSe4 (0 ≤ x ≤ 0.8) System to an Ultralow Limit
Achintya Lakshan, Krishnendu Buxi, Paribesh Acharyya, Kishor Das, Biplab Koley, Kapildeb Dolui, Christophe Candolfi, Carmelo Prestipino, Emmanuel Guilmeau, Ahin Roy, Partha Pratim Jana
Chemistry of Materials, 2024, ⟨10.1021/acs.chemmater.4c02404⟩
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.
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 Sn1.03Te 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
Modélisation
- Modélisation par éléments finis appliquée à la thermoélectricité
Membres
Enseignants-Chercheurs
Personnels d'appui à la recherche
- Philippe MASSCHELEIN
Doctorants
- Swagata PATRA
- Ilayda TERZI
- Arthur WIEDER
Post-doctorants et CDD
- Rana GHANNAM
Publications
Contact
Responsable d'équipe
Bertrand LENOIR
bertrand.lenoir@univ-lorraine.fr
+33 (0) 3 72 74 26 53
Nancy-Artem
Institut Jean Lamour
Campus Artem
2 allée André Guinier - BP 50840
54011 NANCY Cedex