Matériaux Thermoélectriques : Effets et Structures Complexes

GDR « Thermoélectricité » - Orsay -11-12 juillet 2011 - C. Godart 1
Matériaux thermoélectriques
Thermoélectricité: ZT, σ, S, λ semiconducteur,
conductivité thermique: électronique λél
réseau λlatt ,
Amélioration de ZT : nouveaux matériaux (1990…)
divers effets de structure pour diminuer λlatt
ADP - quelques structures à cage
quelques structures complexes, clusters
quelques effets substitution, lacunes, désordre -
Composites
Nano structures, dimensionalité, nanocomposites
Mise en forme
Effets thermoélectriques (TE) : énergie calorique énergie électrique
2 types d’applications: (micro)-refroidissement ou production d'électricité

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maximum de ZT = S2 σ T / λ
Optimiser propriétés transport des matériaux
Refroidissement:
()()
γ
γ
+− −
=1
TT TT
COP hc
hc
génération électricité:
(
)
(
)
TT TT
hc
ch
γ
γ
η
+
−
−
=1
max
γ = (1+ZT)1/2
1- accroître le facteur de puissance : S2 σ
S décroît ~ log (n, p)
σ croît ~ (n,p)
10
14 1016 1018 10 20 1022
Semiconducteur
Métal
Isolant S2σσ
S
Carrier content
Semiconducteur
FACTEUR de MERITE ZT
2- décroître conductivité thermique : λ
λ= λél + λ
réseau
SANS affecter σjouer sur les phonons
BON conducteur électrique
MAUVAIS conducteur thermique !!

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Paramètres de déplacement thermique (ADP)
atome A (T≠0) se déplace
paramètre de déplacement thermique : écart quadratique moyen de ce déplacement
non isotrope en général Uij (ellipsoïdes de mouvement des atomes)
moyenne dans toutes les directions Uiso (repérer atomes à fortes vibrations)
Uiso (T) ↑
si T ↑
si Uiso (T->0) ≠
0: possibilité de désordre statique
phonons

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Effets sur les phonons quelques matériaux
Structure complexe Accroît les modes de phonons optiques
(chaleur transportée par
3 modes acoustiques et moins par
les 3(N-1) modes optiques
Clathrate
Chevrel (SC)
Intermet.Yb14MnSb11
Cobaltite
Atomes
faiblement liés ou
hors positions
Accroît le désordre Skutterudite
Clathrate
Penta-tellurure
Solutions solides,
lacunes Accroît les fluctuations de masse + semi Heusler oxydes
Impuretés, inclusions Accroît la diffusion Bi2Te3+Te+CuBr
Zn4Sb3
PbTe -TAGS
Joints de grains Réduit le libre parcours des phonons Micro composite
(In2O3:Ge)
Nano-matériaux
(PbTe+TAGS),
basse dimensionalité
G. Slack, in CRC Handbook of Thermoelectrics, 1995

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Matériaux thermoélectriques (d'inefficace à mieux..)
Systèmes connus en 1960 …& en 1990 !!!
Semicond. Bi-Sb (Bi,Sb)2 (Te,Se)3 PbTe TeAgGeSb Si-Ge
T usage (K) 200 ~300 /GAP/ 700 750 ~1000
ZT à T usage 1.1 (H) 0.9 0.8 1.1 0.6
Matériaux:
1-meilleur ZT
2-stable à T ↑
ZT(T)
refroidissement génération électricité
0 200 400 600 800 1000 1200
0
5
10
15
20
25
30
35
40 o
o
ZT
ZT -> Carnot
ZT=3.5
ZT=3
ZT=2.5
ZT=2
ZT=1.5
ZT=1
ΔT
Efficacité maximale η (%)
Température chaude (K)