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ET INNOVATION DE L'ÉTS

Vers des dispositifs thermoélectriques plus performants


Paul Fourmont
Paul Fourmont est étudiant au doctorat au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les dispositifs de récupération d’énergie mécanique et thermique ainsi que sur des dispositifs photovoltaïques.
Programme : Génie électrique 

Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

Francois Xavier Fortier
Francois Xavier Fortier Profil de l'auteur(e)
François-Xavier Fortier est étudiant au doctorat au Département de génie électrique de l’ÉTS.
Programme : Génie électrique 

Sylvain G. Cloutier
Sylvain G. Cloutier Profil de l'auteur(e)
Sylvain G. Cloutier est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS. Il est spécialiste des nanotechnologies et des matériaux optoélectroniques.
Programme : Génie électrique 

Riad Nechache
Riad Nechache est chercheur à l’ÉTS. Ses recherches portent les nanomatériaux et mettent l’accent sur la conception et la synthèse de nanostructures inorganiques de composition chimique, de morphologie physique et de dimension précises.
Programme : Génie électrique 

Chaleur convertie en électricité

L’image d’en-tête a été achetée sur Istock.com et est protégée par des droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

En convertissant les pertes de chaleur en électricité, la thermoélectricité est une technologie qui a la capacité d’améliorer l’efficacité énergétique de la plupart des appareils électriques. Les modifications des propriétés des matériaux thermoélectriques à l’échelle nanométrique permettent d’accroître leurs performances et donc, une meilleure récupération d’énergie. Grâce à ces modifications structurelles et à l’utilisation de masques, nous présentons un dispositif simple à produire, compact et performant.

Un peu d’histoire

Découverte au début du XIXe siècle en Europe par M. Seebeck et M. Peltier, la thermoélectricité est encore aujourd’hui un domaine de recherche d’actualité, offrant des perspectives intéressantes. C’est au cours d’expérimentations que ce chercheur et cet horloger ont mis en évidence les effets Seebeck et Peltier. Mr Seebeck a remarqué qu’une différence de potentiel électrique s’établit lorsque les jonctions de deux matériaux différents sont à des températures différentes, c’est donc l’effet Seebeck. Grâce à ce phénomène, il est possible de générer de l’électricité à partir d’un gradient de température. Mr Peltier a, quant à lui, observé la production et l’absorption de chaleur aux jonctions de matériaux suivant le sens de parcours du courant appliqué. L’effet Peltier permet par exemple de s’affranchir de l’utilisation de gaz réfrigérants, connus pour être nocifs pour l’environnement.

Parmi ces deux effets, nous allons nous concentrer sur l’effet Seebeck qui permet de transformer un gradient de température en électricité. À la suite de la récente prise de conscience concernant notre consommation énergétique grandissante et ses impacts sur la planète, exploiter l’effet Seebeck offre l’avantage de gagner en efficacité énergétique tout en réduisant le gaspillage. En effet, rien qu’aux États-Unis, la moitié de la production d’énergie est perdue sous forme de chaleur.[1] Or, si l’on considère des sources de chaleur comme les moteurs thermiques ou les appareils électroniques, les applications potentielles de la thermoélectricité dans notre quotidien apparaissent alors infinies! De nos jours, on utilise déjà ce phénomène physique, que ce soit, par exemple, dans les glacières électriques (effet Peltier) ou bien les fameuses sondes Voyager 1 et 2, qui continuent, 40 ans après leur lancement, d’émettre des signaux vers la Terre.[2]

Dispositif thermoélectrique d’une sonde Voyager

Figure 1 – Photo d’une sonde Voyager à gauche et du dispositif thermoélectrique à droite

Fabrication de dispositifs thermoélectriques par ablation laser pulsée

Grâce aux avancées technologiques des dernières décennies et à une puissance de calcul accrue des ordinateurs, il a été démontré que les performances des matériaux thermoélectriques les plus intéressantes se trouvent au sein de couches minces de l’ordre du nano, voire du micromètre. Contrairement aux matériaux dits « massifs », à ces échelles, il est possible d’influencer la structure et le positionnement des atomes. Afin d’obtenir un contrôle très précis sur la structure des couches déposées, on a recours à l’ablation par laser pulsé. Il s’agit d’un laser capable d’émettre des impulsions de très haute énergie sur des intervalles de temps très courts vers une cible du matériau à déposer. Cette dernière est au préalable placée dans une chambre sous un vide très poussé, voir figure 2. Les impulsions du laser vont alors ablater le matériau sous forme de plasma et éjecter un panache de matière perpendiculairement à la cible.

Système d’ablation laser pulsé

Figure 2 – Représentation d’un système d’ablation laser pulsé

Suivant les paramètres utilisés, ce panache va ensuite se condenser sur un substrat placé parallèlement à la cible. Le type de laser utilisé, le nombre d’impulsions envoyées, la température du substrat ou encore la pression à l’intérieur de la chambre sont autant de paramètres interreliés à prendre en compte. Encore aujourd’hui, toutes les interactions lumière-matière ne sont pas entièrement comprises et font l’objet de débats.

Un dispositif compact et performant

Dans le cadre de notre étude, nous souhaitons utiliser les pertes de chaleur d’appareils électroniques et réaliser de la récupération d’énergie en utilisant de faibles gradients de température (entre 5 °C à 80 °C). La méthode de fabrication de nos dispositifs planaires est relativement simple : elle utilise trois masques avec des ouvertures de dimensions micrométriques disposés sur une lame de verre (voir figure 3). Premièrement, il est nécessaire de déposer des contacts métalliques pour assurer une conduction électrique dans le dispositif. Ce dépôt d’or de plusieurs centaines de nanomètres se réalise par évaporation thermique. Par la suite, deux masques sont utilisés successivement pour déposer des lignes de matériaux thermoélectriques. Le recours à des masques est à la fois simple, efficace et permet de produire des dispositifs de récupération d’énergie à des coûts plus faibles que ceux réalisés par gravure ou lithographie.

Dépôts effectués à l’aide de masques

Figure 3- Schémas des masques utilisés ainsi que des dépôts effectués

Outre l’utilisation des masques, il a été possible de réaliser des dispositifs thermoélectriques offrant une meilleure récupération d’énergie que ceux, précédemment rapportés dans la littérature, ayant une géométrie similaire. Ces résultats sont d’autant plus intéressants si l’on considère la température du substrat lors des dépôts. Ceux-ci ont été effectués à 45 °C, là où habituellement des températures entre 200 °C et 300 °C sont nécessaires. Enfin, dernier avantage, aucun gaz dans la chambre ou recuit après dépôt n’a été utilisé. Ces caractéristiques sont particulièrement avantageuses, car elles permettent de réduire considérablement la complexité, le coût de production ainsi que le budget thermique nécessaire à la création de ces dispositifs. Ces résultats ont été possibles grâce à un contrôle très précis de l’ablation de la cible. Comme nous le présentons, c’est avant tout le respect de la stœchiométrie (proportion de chaque élément chimique) à 45 °C qui vient confirmer ces performances encore non égalées.

Conclusion et perspectives

Suivant la publication de ces découvertes, nous souhaitons encourager les chercheurs à poursuivre ces recherches afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Nous désirons également ouvrir la voie à la conception de dispositifs thermoélectriques simplifiés, compacts et performants. Grâce à ces dispositifs, nous espérons optimiser l’efficacité énergétique de nos appareils électriques en convertissant des pertes thermiques en électricité.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article suivant : Fourmont, P.; Gerlein, L.F.; Fortier, F.-X.; Cloutier, S.G.; Nechache, R. 2018. « Highly Efficient Thermoelectric Microgenerators Using Nearly Room Temperature Pulsed Laser Deposition ». ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (12), pp. 10194-10201.

Paul Fourmont

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Paul Fourmont est étudiant au doctorat au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur les dispositifs de récupération d’énergie mécanique et thermique ainsi que sur des dispositifs photovoltaïques.

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Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides imprimés 

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein Reyes

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Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

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Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides imprimés 

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Francois Xavier Fortier

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François-Xavier Fortier est étudiant au doctorat au Département de génie électrique de l’ÉTS.

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Sylvain G. Cloutier

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Sylvain G. Cloutier est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS. Il est spécialiste des nanotechnologies et des matériaux optoélectroniques.

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Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides imprimés  Chaire de recherche ArianeGroup sur les matériaux émergents dans le domaine de l’aéronautique et du spatial 

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Riad Nechache

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Riad Nechache est chercheur à l’ÉTS. Ses recherches portent les nanomatériaux et mettent l’accent sur la conception et la synthèse de nanostructures inorganiques de composition chimique, de morphologie physique et de dimension précises.

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Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides imprimés 

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