Générateur thermoélectrique flexible imprimé sur papier à base de matériaux organiques et hybrides. S. Ferhat1, C. Domain2, J. Vidal2, D. Noël2, B. Ratier1 et B. Lucas1 1 XLIM UMR 7252 Université de Limoges/CNRS, 123 avenue Albert Thomas 87060, Limoges cedex, France 2 EDF R&D, Site des Renardières, avenue des Renardières – Ecuelles, 77818, Moret-sur-Loing cedex, France I. Introduction. Matériaux organiques et hybrides. Etat de l’art. II. Matériaux. PEDOT:PSS. (PEDOT)xV2O5. Adaptation à l’impression. III. Dispositif. Simulations. Performances expérimentales. Matériaux organiques - Composantes à base de C: - Molécules complexes (polymères) - Petite molécules (fullerènes) …et hybrides: - Assemblage de matériaux organiques et inorganiques. Couplage des avantages des deux composantes. Ex.: Polymère(organique)/Nanoparticules(inorganiques) Recherche et applications: OLEDs, transistors, cellules solaires Intérêt récent pour la thermoélectricité. Pourquoi les semi-conducteurs organiques/hybrides? ✓ Abondance ✓ Bas coût de synthèse ✓ Non-toxicité ✓ Flexibilité ✓ Faible conductivité thermique X Performances (efficacité de conversion, instabilité à l’air) X Synthèse dans des conditions de laboratoire (spincoating, déposition par évaporation…) ✓ Avancées rapides en performances X Pas de procédé de fabrication de dispositif (Synthèse dans des conditions de laboratoire, dopage par immersion , traitement acide… ) Organique type P Organique type N Inorganique Matériaux Simulations Production Synthèse facile Stabilité à l’air Matériaux à bas coût Liquide (imprimable) Nanoparticules Evaluation Optimisation (géométrie) Faible coût en énergie (basse température) Procédé rapide Précision de dépôt Variété de substrats Dispositif TE Impression Jet d’encre Dimatix DMP 381 PEDOT:PSS SC de type P PEDOT:PSS (1:2.5) Polystyrène Sulfonate (PSS) contre-ion (dopant) Traitement post-dopage Solvant diélectrique (DMSO) Interaction ionique Liaison hydrogène PEDOT (Poly 3,4-ethylenedioxythiophene) Paramètres PEDOT:PSS PEDOT:PSS/Solvant PEDOT:PSS/Solvant/dédopage 10-2 750 1200 Seebeck (µV/K) 13-16 13-16 24-28 ZT 2x10-7 0.02 0.1 δ (S/cm) (PEDOT)xV2O5 SC de type N V 2 O5 PEDOT H2O + H2O2 Solide Cristallin, α-orthorhombique Xerogel V2O5·nH2O Amorphe + EDOT (monomère) Hybride (PEDOT)xV2O5 Amorphe V2O5 Intensité Intensité (PEDOT)xV2O5 V2O5·nH2O (PEDOT)xV2O5 : performances. Material S²σ κ σ Seebeck Power Factor ZT Electrochromisme: (PEDOT)0.03 Units V2O5 W/m*K 0.68 S/cm 0,16 ±0.03 µV/k -350 ± 17 µW/m²K 2 ±0.524 10-3 PEDOT intercalé σ 10-4 S/cm ~S/cm Stable à l’air. Adaptation à l’impression jet d’encre Défis: Imprimabilité (encre éjectable). Propriétés de la goutte: - Vitesse: ~m/s. précision vs splash - Volume: ~10pL. rapidité de dépôt vs splash, étalement - Forme: sphérique. précision. Taille des particules: obstruction si >diamètre de la buse. Substrat: adhésion, mouillabilité. Contrôle: Signal piezo: tension, durée, température. Rhéologie: viscosité, tension de surface (ajout de tensioactifs, dilution, filtrage). d Résultats: Viscosité: 3-8 mPas, tension de surface:24-36 mN/m Filtrage: 5µm (< diamètre de la buse). Signal piezo: Impression réussie. Papier Accès facile aux différentes géométries et architectures Asymétrique « Unijambe » Flexibilité mécanique Géométrie et dimensionnement. Modèle COMSOL MP Equations fondamentales: 1. Simulations thermiques. But: ∆T 20K Contrainte: longueur du thermocouple (R~L) ∆T vs Résistance 2. Simulations électriques. Evaluation des performances en fonction de: - Matériaux - Géométrie - Architecture Optimisation Peltier Fourier · = S· ᴋ· Flux de chaleur = Effet Joule Couplage + résolution Effet thermoélectrique Loi d’Ohm j=σ· · · Densité de courant · =0 Accessible, polyvalent et complet. Simulations thermiques: ∆T = 20K Diffusion thermique Voc ~ ∆T Mesures expérimentales: PEDOT:PSS ✓ 5mm Simulations électriques. Nombre de TC Long. Larg. Epais. Surface totale Fill Factor* 4 5 mm 3 mm ~4 µm 0.128 mm2 75% *FF: couche active TE/Surface totale du générateur Projection du potentiel électrique Performances simulées: Max (Rl=Ri) Short circuit Open circuit RL = Ri (Ohm) 139K 0 ∞ @∆T = 20K I (uA) 0.105 0.211 0 V (mV) 14.7 0 29.36 P (nW) 1.55 0 0 Performances expérimentales des dispositifs imprimés @ ∆T=20K. Parameter Open circuit Short circuit Max (Ri=RL) RL ∞ Isc 0 0 47 (nA) 23 (nA) 515 kOhm Voc 26.1 (mV) 0 Pmax 0 P/A 0 0 0 14.5 (mV) 0.34 (nW) 0.266 µW cm-² @∆T = 20K Bubnova et al. (2011) 0.128 µW cm-² @ 10K Q. Wei et al. (2014) 0.128 µW cm-² @ 50K Fill Factor élevé 75% Architectures à expérimenter: Asymétrique R2R *Menon & Yee 2016 Radiale* Accordéon