Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les réfrigérateurs et générateurs thermoélectriques font partie des nouveaux modes de réfrigération ou de production d’électricité verte. Dans le contexte actuel de crise environnementale, ces dispositifs sont donc envisagés pour de la climatisation ou de la production d'électricité à partir de chaleur perdue. Cependant, les matériaux qui les constituent incorporent des éléments chimiques rares ou bien présentent des performances insuffisantes pour permettre le développement de toutes les applications envisagées. Aussi, la recherche vise à en découvrir de nouveaux et il est ainsi proposé dans cet article un état de l’art des matériaux thermoélectriques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Eric ALLENO : Chercheur CNRS - Univ. Paris-Est Créteil, Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, Thiais, France
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David BERARDAN : Enseignant-Chercheur - Univ. Paris Saclay, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, France
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Martin BRINKMANN : Chercheur CNRS - Institut Charles Sadron, Strasbourg, France
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Christophe CANDOLFI : Enseignant-chercheur - Institut Jean Lamour, Nancy, France
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Emmanuel GUILMEAU : Chercheur CNRS - Laboratoire CRISMAT, CNRS, Normandie Univ, ENSICAEN, Caen, France
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Bertrand LENOIR : Enseignant-chercheur - Institut Jean Lamour, Nancy, France
INTRODUCTION
Les générateurs, ou les réfrigérateurs, thermoélectriques (TE) sont des dispositifs tout-solide qui permettent respectivement de convertir de la chaleur en électricité, ou de pomper de la chaleur. Leurs rendements de conversion de l’énergie (~ 10 % en génération ou ~ 150 % en réfrigération) ne leur permettent pas de concurrencer les systèmes classiques, tels qu’une turbine à vapeur couplée à un alternateur (33 %) ou un réfrigérateur à compression (300 %). En revanche, ils peuvent être utilisés dans des systèmes de recyclage de la chaleur résiduelle de systèmes à combustion (moteurs thermiques, fours, etc.) pour améliorer leur rendement global, ou dans des systèmes de climatisation sans gaz frigorigène à effet de serre.
Ce sont des systèmes compacts, silencieux et, surtout, qui ne requièrent aucune maintenance du fait de l’absence de pièces mobiles. Ils peuvent être miniaturisés et intégrés à une puce électronique, pour la refroidir, à un capteur, pour l’alimenter, ou, au contraire, déployés comme des panneaux photovoltaïques, pour générer de l’électricité à partir d’une source de chaleur étendue. Ils font donc partie des nouveaux modes de réfrigération ou de production d’électricité verte qui pourraient contribuer à la transition énergétique que notre société cherche à mettre en œuvre.
Les matériaux actuellement utilisés dans des dispositifs TE ont été découverts au milieu du XXe siècle. Ils incorporent pour la plupart des éléments chimiques rares, ou présentent des performances insuffisantes pour alimenter le marché des nouvelles applications envisagées.
Depuis 1995, sous la pression des préoccupations environnementales croissantes concernant les gaz à effets de serre, de nouveaux matériaux ont émergé. Ils sont fondés sur de nouveaux concepts, tels les matériaux à structure cristallographique complexe, ou les matériaux nanostructurés. Parmi ces matériaux, plusieurs possèdent des propriétés thermoélectriques intéressantes pour des applications en génération d’électricité.
Cet article présente un état de l’art, en abordant la question des performances TE des matériaux, ainsi que les questions relatives à leur stabilité, notamment thermomécanique et vis-à-vis de l’oxydation par le milieu ambiant, autant d’aspects essentiels pour garantir la fiabilité qu’exigent les applications.
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- Version archivée 1 de juin 2009 par Claude GODART
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Applications2. Matériaux thermoélectriques
Les premiers dispositifs thermoélectriques, apparus dès la seconde moitié du XIXe siècle, utilisaient des métaux et des alliages, tel le constantan, découvert en 1890, encore employé dans les thermocouples. Leurs faibles coefficients Seebeck et leurs fortes conductivités thermiques limitaient toutefois leur rendement. Un tournant majeur est apporté par Abram Ioffe, qui identifie les semiconducteurs dopés comme matériaux plus adaptés. Peu après 1945, un générateur à base de PbS et ZnSb atteint 5 % de rendement sous 400 K de gradient thermique. Dans les années 1950, Bi2Te3 devient la référence près de la température ambiante, tandis que PbTe domine entre 400 et 800 K et que les alliages Si-Ge, introduits au début des années 1960, servent aux hautes températures (> 800 K) [K 730].
Deux ruptures marquent les années 1990. Hicks et Dresselhaus démontrent que la nanostructuration accroît significativement le facteur de mérite . En parallèle, Glen Slack propose le concept de Phonon-Glass Electron-Crystal : les phonons doivent être diffusés comme dans un verre, et la mobilité des porteurs de charge doit être celle d’un cristal parfait . Ce concept oriente la recherche vers les composés à structures cristallines complexes (skutterudites, clathrates, composés...
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Matériaux thermoélectriques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LEBLANC (S.), YEE (S.K.), SCULLIN (M.L.), DAMES (C.), et GOODSON (K.E.) - Material and manufacturing cost considerations for thermoelectrics. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, 32, pp. 313-327 (2014).
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(2) - HICKS (L.D.), DRESSELHAUS (M.S.) - Effect of quantum well structures on the thermoelectric figure of merit. - Phys. Rev. B, 47, p. 12727 (1993).
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(3) - ROWE (D.M.) - CRC handbook of thermoelectrics. - CRC Press, Boca Raton (1995).
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(4) - SALES (B.C.), MANDRUS (D.), WILLIAMS (R.K.) - Filled skutterudite antimonides: a new class of thermoelectric materials. - Science, 272, p. 1325 (1996).
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(5) - JAN (R.), FAYAZ (M.), AYOUB (N.), ISLAM (I.), GHOSH (S.), RUBAB (S.), KHANDY (S.A.) - Oxide thermoelectric materials: A review of emerging strategies for efficient waste heat recovery. - Journal of Power Sources, 654, p. 237806 (2025).
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ANNEXES
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1.2.2.2 États-Unis
1.2.3 Asie
1.2.3.1 Japon
1.2.3.2 République Populaire de Chine
1.2.3.3 Taïwan
Associazione Italiana di Termoelettricià (AIT) https://ait.icmate.cnr.it
Deutsche Thermoelektrik-Gesellschaft e.V (DTG) https://thermoelektrik.info
European Thermoelectric Society (ETS) https://www.thermoelectricity.eu/
Groupement d’Intérêt Scientifique en ThermoÉlectricité...
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