Matériaux thermoélectriques nanostructurés et architecturés

Les générateurs thermoélectriques sont des dispositifs statiques et autarciques qui permettent de convertir l'énergie thermique en énergie électrique . Ils sont constitués de l'assemblage de plusieurs paires de semi-conducteurs de type n et p (thermoéléments), connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle. La chaleur appliquée sur une face du générateur thermoélectrique force les électrons (dans le matériau de type n) et les trous (type p) à migrer vers la face opposée (froide), ce qui génère une tension électrique due à l'effet Seebeck et un courant électrique entraîné par le flux de chaleur.

En raison de sa fiabilité, sa compacité et sa robustesse, ainsi que de l'absence de partie mobile et de vibration, la conversion thermoélectrique s'est imposée comme une technologie vitale pour les applications spatiales en fournissant une source électrique aux sondes interplanétaires Pioneer, Voyager, Ulysse, Galileo et Cassini, ainsi qu'aux missions lunaires Apollo et martiennes Viking, pour un total de plusieurs millions d'heures d'opération dans l'espace. Ces applications utilisent la désintégration nucléaire d'isotopes radioactifs comme source de chaleur, et un générateur, dit « radio-isotopique », fournit une puissance électrique en convertissant la chaleur émise par le cœur radioactif.

Sur Terre, les sources de chaleur produites par l'activité industrielle et les transports sont abondantes et gratuites (car perdues). L'automobile est un exemple emblématique puisque les trois-quarts de l'énergie produite par la combustion d'hydrocarbures sont rejetés par l'échappement ou dissipés par le circuit de refroidissement. La diminution des normes d'émission en CO₂ des automobiles, et donc de la consommation en carburant, est un enjeu majeur du point de vue environnemental, et des mesures contraignantes instituées par la Commission européenne prévoient de ramener ces émissions à 130 g/km en 2012 et 95 g/km d'ici 2020. Dans le même temps, le développement rapide des équipements automobiles, comme les systèmes d'aide à la conduite, de navigation et de sécurité active, nécessite toujours plus d'énergie électrique, ce qui entraîne une augmentation de la consommation. L'idée d'intégrer aux automobiles un système de récupération des pertes thermiques basé sur un convertisseur thermoélectrique offre la possibilité d'exploiter les dizaines de kilowatts de chaleur perdue pour générer de l'électricité sans charge additionnelle sur le moteur. L'utilisation d'un dispositif thermoélectrique permettrait de réaliser jusqu'à 10 % d'économie de carburant en alimentant l'ensemble des accessoires du véhicule, en faisant l'économie de l'alternateur et de l'énergie qu'il consomme, et en utilisant ce surplus de production électrique pour la propulsion dans le cas des voitures hybrides. Le soleil est une autre source d'énergie abondante et gratuite qui pourrait être exploitée de façon compétitive en utilisant la conversion thermoélectrique  .

De telles applications, dont on mesure bien les avantages, ont une portée limitée par les critères auxquels doivent répondre les matériaux. L'une de ces contraintes réside dans une combinaison de propriétés conflictuelles, appelée « facteur de mérite », contrôlant le rendement de conversion thermoélectrique. Améliorer la performance des matériaux thermoélectriques est un défi qui généralement consiste à minimiser la conductivité thermique sans affecter le transport électronique. Il est relevé en chimie du solide par le développement de matériaux semi-conducteurs à structures complexes et/ou ouvertes [N 1 500]. Une approche alternative, qui est décrite dans cet article, est d'agir sur la nano/microstructure afin de modifier indépendamment les caractéristiques de diffusion pour les électrons et les phonons, et de contrôler la dépendance thermique du facteur de mérite en concevant des matériaux architecturés dont les composants opèrent à leur température d'efficacité maximale lorsque le générateur thermoélectrique est placé dans un large domaine de températures.