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Les générateurs thermoélectriques transforment la chaleur perdue en électricité sans produire d’émissions de gaz à effet de serre. Mais bien qu’ils aient contribué à alimenter les rovers de Mars, le coût élevé de ces dispositifs a empêché leur utilisation à grande échelle.

Des générateurs thermoélectriques bon marché

Maintenant, des chercheurs ont trouvé un moyen de fabriquer des générateurs thermoélectriques bon marché qui fonctionnent aussi bien que les générateurs thermoélectriques coûteux. Ces travaux pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de moteurs de voiture, de fours industriels et d’autres dispositifs de production d’énergie plus écologiques.

« Cela semble être une façon très intelligente de réaliser des performances élevées », déclare Li-Dong Zhao, spécialiste des matériaux à l’université Beihang, qui n’a pas participé à ces travaux. Il note qu’il reste encore quelques étapes à franchir avant que ces matériaux puissent devenir des générateurs thermoélectriques très performants. Toutefois, dit-il, « je pense que ces matériaux seront utilisés dans un avenir pas trop lointain ».

Les générateurs thermoélectriques sont des dispositifs semi-conducteurs placés sur une surface chaude, comme un moteur de voiture à essence. Ils ont ainsi un côté chaud et un côté froid, éloigné de la surface chaude. Ils fonctionnent en utilisant la chaleur pour pousser les charges électriques de l’une à l’autre.

Si un dispositif permet au côté chaud de réchauffer le côté froid, l’électricité cesse de circuler. La capacité d’un dispositif à contourner ce phénomène, ainsi que sa capacité à conduire les électrons, sont prises en compte dans un score appelé « facteur de mérite » ou ZT.

Ils sont plus performants

Au cours des deux dernières décennies, les chercheurs ont produit des matériaux thermoélectriques avec des ZT de plus en plus élevés. Le record a été établi en 2014 lorsque Mercouri Kanatzidis, spécialiste des matériaux à l’université Northwestern, et ses collègues ont mis au point un monocristal de séléniure d’étain présentant un ZT de 3,1. Pourtant, ce matériau était difficile à fabriquer et trop fragile pour être modifié. « Pour les applications pratiques, c’est un échec », explique M. Kanatzidis.

Son équipe a donc décidé de fabriquer ses générateurs thermoélectriques à partir de poudres d’étain et de sélénium facilement disponibles qui, une fois traitées, donnent des grains de séléniure d’étain polycristallin au lieu de monocristaux. Les grains polycristallins sont bon marché et peuvent être chauffés et comprimés en lingots de 3 à 5 centimètres de long, qui peuvent être transformés en dispositifs.

Ces lingots polycristallins sont également plus efficaces, et M. Kanatzidis s’attendait à ce que les frontières entre les grains individuels ralentissent le passage de la chaleur. Mais lorsque son équipe a testé ces matériaux polycristallins, la conductivité thermique a grimpé en flèche, faisant chuter leur score ZT jusqu’à 1,2.

En 2016, l’équipe de Northwestern a découvert la source du problème : une peau ultrafine d’oxyde d’étain se formait autour des grains de séléniure d’étain polycristallin avant qu’ils ne soient pressés en lingots. Cette peau agissait comme une voie rapide permettant à la chaleur de se déplacer de grain en grain dans ce matériau. Dans leur étude actuelle, M. Kanatzidis et ses collègues ont donc trouvé un moyen d’utiliser la chaleur pour chasser l’oxygène des précurseurs poudreux et laisser le séléniure d’étain polycristallin intact.

Un ZT de 3,1

Le résultat, qu’ils rapportent dans Nature Materials, a non seulement une conductivité thermique inférieure à celle du séléniure d’étain monocristallin, mais aussi un ZT de 3,1. « Cela ouvre la voie à la construction de nouveaux dispositifs à partir de pastilles de séléniure d’étain polycristallin et à l’exploration de leurs applications », déclare M. Kanatzidis.

Il faudra encore un certain temps pour franchir cette étape. Le séléniure d’étain polycristallin fabriqué par l’équipe est dopé avec des atomes de sodium, créant ainsi un matériau dit « de type p » qui conduit les charges positives. Pour fabriquer des dispositifs fonctionnels, les chercheurs ont également besoin d’une version de type « n » qui conduit les charges négatives.

L’équipe de Zhao a récemment rapporté avoir fabriqué un monocristal de séléniure d’étain de type n en le dopant avec des atomes de brome. M. Kanatzidis indique que son équipe travaille maintenant à la fabrication d’une version polycristalline de type n. Une fois que les dispositifs de séléniure d’étain de type n et de type p seront appariés, les chercheurs devraient disposer d’une voie complète pour fabriquer une nouvelle génération de générateurs thermoélectriques ultra-efficaces.

Pour plusieurs applications

Ceux-ci pourraient être installés partout, des tuyaux d’échappement des voitures aux chauffe-eau et aux fours industriels, afin de récupérer une partie des 65 % d’énergie provenant des combustibles fossiles qui finissent en chaleur résiduelle.

Source : Science
Crédit photo : Pixabay