Générateur thermoélectrique flexible imprimé sur papier à base de

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