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Généralité sur la thermoélectricité
Phénomènes thermoélectriques
La thermoélectricité concerne toute la physique reliant le transport de chaleur (i.e. d’entropie) par les porteurs de charge libre d’un matériau conducteur. Il existe cinq effets thermoélectriques en l’absence d’un champ magnétique : la conduction thermique, l’effet Joule, l’effet Seebeck, l’effet Peltier et l’effet Thomson .
Effet Seebeck
C’est en 1823 que Thomas Johann Seebeck publie les premiers travaux sur un phénomène thermoélectrique qui porte aujourd’hui son nom [7]. Il remarque qu’une aiguille de boussole est déviée de sa position d’équilibre lorsque cette dernière est placée entre deux conducteurs de nature différente et que les deux jonctions sont à des températures différentes. Seebeck relie cet effet au magnétisme terrestre, ce qui est faux. Il faudra attendre les travaux du danois Hans Christian Ørsted pour comprendre qu’il s’agit du passage d’un courant dans les matériaux conducteurs qui modifie l’angle de la boussole [8]. De façon précise, l’effet Seebeck se manifeste lorsque deux jonctions électriquement en série, notées 1 et 2, de deux matériaux conducteurs, A et B, sont soumises à un gradient de température (ΔT = T2 − T1 > 0) en parallèle. C’est-à-dire où le flux de chaleur est également reparti entre les deux matériaux A et B. Une différence de potentiel électrique (ΔV = V2 − V1) apparaît entre les deux jonctions dans ce montage électrique qu’on nomme thermocouple .
Vision microscopique des phénomènes thermoélectriques
Les matériaux présentant des propriétés thermoélectriques conduisent l’électricité. Ceux-ci possèdent des porteurs de charge, électrons (e-) ou trous (h+) pouvant circuler sous l’action d’un champ électrique. Nous considérons ici un matériau où le porteur majoritaire est l’électron. L’effet Seebeck se manifeste lorsque ce dernier est soumis à un gradient de température. Les électrons du côté chaud (T2) diffusent vers le côté froid (T1) du fait de la différence de quantité de mouvement entre les électrons « chauds » et « froids ». L’accumulation de porteurs de charge d’un côté du matériau provoque l’apparition d’un potentiel électrique dû à la dissymétrie de population. Il se crée ainsi un courant retour permettant aux électrons « froids » de retourner vers le côté chaud. L’état stationnaire est atteint lorsque ce courant retour par le biais du potentiel électrique, ici négatif, compense la diffusion thermique. Une des conséquences est que le signe du coefficient Seebeck absolu dépend de la nature des porteurs de charge libre du matériau. Celui-ci est positif lorsque le matériau est de type-p (transporteur de trous) et négatif lorsqu’il est de type-n (transporteur d’électrons). Il peut être associé à un transport d’entropie (i.e. d’une quantité de chaleur) par les porteurs de charge [13]. En résumé, l’effet Seebeck est une des façons pour le matériau de transférer de la chaleur et de retourner à l’équilibre thermique en plus des phénomènes de conduction par le réseau cristallin (via les phonons) et radiatif (émission infrarouge par exemple). Chacun de ces phénomènes se déroule en parallèle des autres.
Modules thermoélectriques
Principe de fonctionnement
Les principales applications des phénomènes thermoélectriques décrits précédemment sont soit la conversion directe d’un flux de chaleur en énergie électrique via l’effet Seebeck, soit la conversion d’électricité vers la création d’un flux de chaleur au travers de l’effet Peltier. Cela est réalisé au travers d’un montage électrique appelé module thermoélectrique.
Un module thermoélectrique est un assemblage de matériaux conducteurs de type-n et de type p connectés électriquement en série et assemblés thermiquement en parallèle. La différence est que dans le premier cas le module génère un courant électrique à partir de la différence de température de part et d’autre du module, c’est le mode thermogénérateur. Dans le second cas, le module est relié à un générateur de courant électrique qui permet, selon le sens de ce dernier, d’abaisser ou d’augmenter la température sur l’un des côtés du module, c’est le mode pompe à chaleur .
La grande majorité des modules thermoélectriques ont une structure tridimensionnelle (3D) . Ce type de conception permet de maintenir ou d’exploiter un gradient de température plus efficacement que si les jonctions en série des thermocouples étaient disposées le long du support dans une structure bidimensionnel (2D).
Une des applications pratique d’un thermocouple est celui de mesurer de façon très précise la température d’un élément « chaud » en connaissant la température à la jonction « froide » et le coefficient Seebeck du thermocouple. Ainsi les modules Seebeck peuvent être employés comme capteur de flux thermique. Des sociétés comme Captec et Hukseflux produisent des thermopiles dont les applications vont de l’évaluation de l’isolation thermique d’un bâtiment à la mesure des propriétés thermiques des sols en passant par le suivi de la température de fours industriels.
Paramètres de fonctionnement
Les modules thermoélectriques obéissent aux lois de la thermodynamique, leur rendement ne peut excéder celui d’une machine thermique idéale ou machine de Carnot. Dans le cas d’un module Peltier, le coefficient de performance ou ηPeltier est le rapport du pouvoir réfrigérant (le flux de chaleur de l’extérieur vers la jonction), noté ϕf , sur la puissance électrique fournie au module, notée PE. Dans le cas d’un module Seebeck, le rendement est déterminé par le flux de chaleur, noté ϕC, converti en puissance électrique utile, notée Pu. La puissance électrique utile est quant à elle dépendante de la résistance de charge, notée RC, aux bornes du module. Le rendement d’un module Seebeck est donc le rapport de la puissance utile extraite sur le flux de chaleur entrant, noté ηSeebeck.
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Table des matières
Introduction générale
I. Etude Bibliographique
1. Généralité sur la thermoélectricité
A Phénomènes thermoélectriques
B Modules thermoélectriques
C Paramètres du facteur de mérite
2. Matériaux organiques pour la thermoélectricité
A Polymères conducteurs pour la thermoélectricité
B Présentation générale du poly(3,4-éthylènedioxythiophène)
3. Modules thermoélectriques organiques
A Les différents procédés de dépôt bidimensionnel
B Concepts de modules thermoélectriques imprimés
4. Conclusion de l’étude bibliographique
II. Synthèse et propriétés thermoélectriques du PEDOT : OTf
1. Optimisation du PEDOT : OTf
A Conditions de synthèse et caractérisation du PEDOT : OTf par tournette
B Effet de la formulation sur les performances thermoélectriques
2. Caractérisations physico-chimiques du PEDOT : OTf optimisé
A Analyse chimique et structurale
B Mécanismes de transport dans le PEDOT : OTf optimisé
3. Versatilité de la synthèse du PEDOT : OTf
4. Conclusion du chapitre II
III. Mise en œuvre du PEDOT : OTf par pulvérisation liquide
1. Introduction
2. Evaluation des techniques de dépôt grande surface (~ format A4)
A La sérigraphie
B Nébuliseur ultrasonique (spray)
3. Amélioration de la conductivité électrique du PEDOT : OTf
A Paramètres de pulvérisation
B Formulation de la solution oxydante
4. Influence de la mise en œuvre sur les propriétés du polymère
A Propriétés thermoélectriques en fonction de la méthode de dépôt
B Caractérisations physico-chimiques
C Discussion des résultats
5. Conclusion du chapitre III
IV. Elaboration et évaluation de modules thermoélectriques imprimés et flexibles
1. Introduction
2. Evaluation de la géométrie
A Choix d’architecture
B Conception des pochoirs
3. Retour d’expérience des premiers modules imprimés
A Choix du matériau support
B Evaluation de la puissance d’un module 2D
C Comparaison des performances
D Stabilité des modules
4. Du module bidimensionnel au module tridimensionnel
A Impression de motifs en PEDOT : OTf et d’argent
B Assemblage du module final
5. Conclusion du chapitre IV
Conclusion générale
