Concevoir des matériaux thermoélectriques plus performants

Au cœur des générateurs thermoélectriques, des matériaux semi-conducteurs sont intensivement étudiés pour accroître les performances de ces dispositifs qui génèrent de l’électricité à partir de chaleur. Des chimistes du Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT/ CNRS/Université Caen Normandie/Ensicaen) ont synthétisé un nouveau matériau sulfure d’origine minérale présentant des propriétés thermoélectriques remarquables. Ces travaux, menés en collaboration avec l’Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR/CNRS/Université Rennes1/ENSCR/INSA Rennes), l’institut Néel, l’université de Central Michigan (USA) et l’université de Kyushu (Japon), ont été publiés dans les revues Advanced Energy Materials et Angewandte Chemie.

La génération d’électricité à partir de chaleur dissipée au moyen de modules thermoélectriques (effet Seebeck) représente une voie particulièrement prometteuse de production d’énergie « verte ». Cette technologie présente des avantages indéniables en matière de fiabilité, de maintenance, d’absence de vibrations, qui la rendent attractive pour des utilisations dans les domaines automobile, aéronautique, de l’industrie ou du bâtiment. Pour accroître les rendements des dispositifs (aujourd’hui en deçà des 10 %), les scientifiques s’attachent à concevoir de nouveaux matériaux plus efficaces. Le défi est de synthétiser un matériau dans lequel les propriétés électriques et thermiques sont découplées. En bref, comment élaborer un conducteur électrique qui conduit très peu la chaleur ?

Grâce à leurs structures cristallographiques complexes, certains sulfures de cuivre d’origine minérale comme la colusite[1] associent une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. En jouant sur la formulation du matériau, les chimistes du CRISMAT ont réussi à synthétiser un nouveau composé[2] dérivé de la colusite. La présence de chrome dans la structure influe sur le réseau conducteur Cu-S et a permis d’atteindre un « facteur de puissance » [3] record parmi les matériaux sulfures. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux sulfures thermoélectriques.

Emmanuel Guilmeau

[1] La colusite (Cu₂₆V₂Sn₆S₃₂) est un semi-conducteur dégénéré dit « de type p »

[2] De formule Cu₂₆Cr₂Ge₆S₃₂

[3] c’est-à-dire la performance électrique

Références

Ventrapati Pavan Kumar, Andrew R. Supka, Pierric Lemoine, Oleg I. Lebedev, Bernard Raveau, Koichiro Suekuni, Vivian Nassif, Rabih Al Rahal Al Orabi, Marco Fornari, Emmanuel Guilmeau
High Power Factors of Thermoelectric Colusites Cu₂₆T₂Ge₆S₃₂ (T = Cr, Mo, W): Toward Functionalization of the Conductive “Cu-S” Network
Advanced Energy Materials 

Ventrapati Pavan Kumar, Gabin Guélou, Pierric Lemoine, Bernard Raveau, Andrew R. Supka, Rabih Al Rahal Al Orabi, Marco Fornari, Koichiro Suekuni, Emmanuel Guilmeau
Copper-rich thermoelectric sulfides: size mismatch effect and chemical disorder in the [TS₄]Cu₆ complexes of Cu₂₆T₂Ge₆S₃₂ (T = Cr,Mo,W) colusites
Angewandte Chemie International Edition