OTher — Thermoélectricité dans les OxyChalcogénures

Les systèmes thermoélectriques permettent la conversion directe d'un flux de chaleur en puissance électrique, quelle que soit la nature de la source de chaleur. Ils peuvent donc constituer une voie efficace de valorisation de sources de chaleur perdue, par exemple dans les circuits d'échappement automobile, les incinérateurs d'ordures, (...) par production d'électricité propre. Jusqu'à présent, le principal facteur limitant pour l'utilisation de ces systèmes était leur rendement de conversion, trop faible pour qu'ils puissent être utilisables dans des applications à grande échelle. Cependant dans les deux dernières décennies, un effort de recherche important a été dirigé vers le développement de nouveaux matériaux plus performants. Cela c'est traduit notamment par une augmentation rapide du nombre de brevets déposés annuellement en rapport avec la thermoélectricité. L'efficacité d'un matériau thermoélectrique augmente le "facteur de mérite" thermoélectrique ZT augmente, celui-ci étant défini comme ZT = S²T/rl, avec S le coefficient Seebeck ou pouvoir thermoélectrique, r la résistivité électrique, et l la conductivité thermique. On considère généralement que la valeur minimale de ZT à atteindre pour qu'un matériau soit intéressant pour des applications est 1. Par exemple, un facteur de mérite égal à 1 pour les deux constituants, type n et type p, d'un module de conversion thermoélectrique idéal, pourrait permettre de valoriser 10% de la chaleur perdue dans le circuit d'échappement de camions, ce qui pourrait permettre d'économiser de l'ordre de 3 000 litres de carburant par camion par an. Ces dernières années, plusieurs familles de matériaux ont été développées avec des valeurs maximum de ZT>1, donc notamment les skutterudites ou les siliciure de magnésium, ... Une fois utilisés dans des modules thermoélectriques, ces matériaux ont permis d'obtenir des rendements de conversion de l'ordre de 10% en laboratoire. Cependant malgré ces développements, le besoin de nouveaux matériaux plus performants se fait toujours sentir. Au cours de années 1990s et 2000s, les matériaux de type oxychalcogénures, de formule générale RCuChO (R = cation trivalent, Ch = S, Se ou Te) ont été très étudiés, dans un premier temps comme possible composés parents pour de nouveaux supraconducteurs à haute température critique, et ensuite principalement en couches minces comme matériaux de type conducteurs transparents de type p, avec des applications possibles en optoélectronique. Au début de l’année 2008, une activité de recherche importante a vu le jour consacrée à l’étude d’une nouvelle famille de matériaux supraconducteurs, les « oxypnictides ». Suite à la découverte de la supraconductivité dans ces matériaux, nous avons initié des recherches exploratoires dans ce domaine. Nous avons été les premiers à montrer que ces matériaux, en plus de leur caractère supraconducteur, présentent des propriétés thermoélectriques prometteuses. Leur coefficient Seebeck peut être supérieur à 120 µV.K-1 au voisinage de 100K, avec une résistivité électrique faible. De ce fait, dans la gamme de température de l’azote liquide, leurs propriétés de transport électrique ne sont pas très éloignées de celles des meilleurs matériaux basés sur des alliages Bi-Sb. Suite à ces résultats, nous avons étendus nos travaux de recherche à la famille des oxychalcogénures, et nous avons découverts que ces matériaux présentent des propriétés thermoélectriques très prometteuses dans la gamme 400°C-650°C. Ce projet concerne donc principalement l'étude des propriétés thermoélectriques des matériaux de type oxychalcogénures, avec pour but d'une part de confirmer leur potentiel comme nouveaux matériaux thermoélectriques, et d'autre part d'optimiser leurs propriétés afin de les rendre utilisables dans des applications de conversion de flux de chaleur en puissance électrique.