Matériaux thermoélectriques polymères

L'effet thermoélectrique est un phénomène physique qui permet de convertir une différence de potentiel électrique en différence de température (effet Peltier) ou inversement une différence de température en différence de potentiel électrique (effet Seebeck). Outre l’exploitation de la thermoélectricité pour les applications dans les domaines de la thermométrie ou de la réfrigération, les dispositifs thermoélectriques ont un intérêt évident pour la récupération de la chaleur dégagée ou perdue sur des installations exothermiques. Les contextes économiques et environnementaux actuels, caractérisés d’un côté par l’épuisement des sources naturelles d’énergie fossile et de l’autre côté par la quête de sources d’énergie alternatives et plus respectueuses de l’environnement, représentent un cadre idéal pour le développement de ce genre de dispositifs.

Les avancées dans la synthèse de nouveaux matériaux adaptables à des systèmes thermoélectriques de géométries complexes et capables d’exploiter de faibles différences de température pourraient permettre, par exemple, de récupérer la chaleur humaine ou la chaleur de dispositifs portables utilisés quotidiennement, offrant ainsi des potentialités quasi illimitées de récupération d’énergie.

Les performances d’un matériau thermoélectrique, en termes d’efficacité de conversion énergétique, sont caractérisées par un paramètre adimensionnel noté zT (ou ZT) et appelé le « facteur de mérite thermoélectrique » [N 1 500] [K 730] [BE 8 080]. Celui-ci est le produit de la conductivité électrique σ et du carré du coefficient de Seebeck S divisé par la conductivité thermique κ. Pour maximiser le paramètre zT (et donc l’efficacité de conversion énergétique), le matériau considéré doit présenter à la fois une conductivité électrique élevée (cas des métaux) et un coefficient de Seebeck élevé tout en étant un bon isolant thermique (cas des isolants). L’effet thermoélectrique est observable dans la plupart des matériaux conducteurs (sauf pour les supraconducteurs en dessous de T_c), cependant la figure de mérite est optimale pour des concentrations en porteurs de charge caractéristiques des matériaux semi-conducteurs. Ce comportement a été tout d’abord mis en évidence pour certains semi-conducteurs inorganiques, et notamment le tellurure de bismuth qui, avec un ZT proche de 1, reste à ce jour le matériau de référence pour les applications proches de la température ambiante. De nombreux autres matériaux inorganiques ont été étudiés tels que les clathrates, skutterudites, etc., mais ne sont performants qu’à des températures d’utilisation plus élevées.

Suivant une tendance déjà observée dans d’autres domaines (photovoltaïque , transistors , diodes électroluminescentes ) depuis le début des années 2000, le développement de matériaux thermoélectriques organiques a suscité un réel engouement. En effet, la nécessité de développer des systèmes pouvant être facilement mis en forme tout en étant plus flexibles, plus légers, moins toxiques et également moins coûteux que les matériaux inorganiques a orienté les recherches vers les polymères (semi-)conducteurs. Par simple modification de leur structure moléculaire, il est possible de moduler leurs propriétés physiques et chimiques et ainsi de les adapter à différentes applications. De plus, le carbone est une ressource abondante, et la synthèse des matériaux organiques par essence économique. Un avantage majeur de ces matériaux est la possibilité d’effectuer leur dépôt en phase liquide et en conditions ambiantes, en particulier en utilisant les techniques de dépôt par impression qui permettent l’utilisation de substrats non conventionnels (tels que les plastiques et le papier) et la fabrication de dispositifs sur de larges surfaces (plusieurs mètres carrés).

Les connaissances actuelles des propriétés et phénomènes de conduction dans les matériaux thermoélectriques polymères ne sont pas aussi avancées que celles acquises sur les matériaux inorganiques largement étudiés depuis les années 1950. Cependant, les travaux déjà menés sur les polymères thermoélectriques permettent déjà d’atteindre des facteurs de mérite de l’ordre de 0,5, et il semble évident que, notamment grâce à leur faible conductivité thermique et à la possibilité de moduler leur conductivité électrique par le dopage, les polymères (semi-)conducteurs représentent une excellente alternative aux matériaux inorganiques actuels pour des applications proches de la température ambiante.

Après une première partie consacrée aux polymères pour les applications thermoélectriques, les différentes approches théoriques et expérimentales permettant d’obtenir les conductivités électriques et thermiques ainsi que le coefficient Seebeck seront décrites. L’état de l’art des polymères conducteurs et de leurs hybrides utilisés dans le domaine de la thermoélectricité sera présenté, pour finir avec une description des premiers dispositifs développés à l’aide des techniques d’impression à partir de ces matériaux.