Et si vous pouviez faire fonctionner votre climatiseur non pas à l’électricité conventionnelle, mais à la chaleur du soleil pendant une chaude journée d’été? Avec les progrès de la technologie thermoélectrique, cette solution durable pourrait un jour devenir une réalité.
Les dispositifs thermoélectriques sont fabriqués à partir de matériaux qui peuvent convertir une différence de température en électricité, sans nécessiter de pièces mobiles — une qualité qui fait des thermoélectriques une source d’électricité potentiellement attrayante. Le phénomène est réversible : Si de l’électricité est appliquée à un dispositif thermoélectrique, elle peut produire une différence de température. Aujourd’hui, les dispositifs thermoélectriques sont utilisés pour des applications de faible puissance, telles que l’alimentation de petits capteurs le long des oléoducs, la sauvegarde des batteries des sondes spatiales et le refroidissement des mini-ponts.
Mais les scientifiques espèrent concevoir des dispositifs thermoélectriques plus puissants qui récupéreront la chaleur – produite en tant que sous—produit des processus industriels et des moteurs à combustion – et transformeront cette chaleur autrement gaspillée en électricité. Cependant, l’efficacité des dispositifs thermoélectriques, ou la quantité d’énergie qu’ils sont capables de produire, est actuellement limitée.
Maintenant, des chercheurs du MIT ont découvert un moyen d’augmenter cette efficacité par trois, en utilisant des matériaux « topologiques”, qui ont des propriétés électroniques uniques. Bien que des travaux antérieurs aient suggéré que les matériaux topologiques puissent servir de systèmes thermoélectriques efficaces, il y a eu peu de compréhension quant à la façon dont les électrons dans de tels matériaux topologiques se déplaceraient en réponse aux différences de température afin de produire un effet thermoélectrique.
Dans un article publié cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, les chercheurs du MIT identifient la propriété sous-jacente qui fait de certains matériaux topologiques un matériau thermoélectrique potentiellement plus efficace, par rapport aux dispositifs existants.
« Nous avons découvert que nous pouvons repousser les limites de ce matériau nanostructuré d’une manière qui fait des matériaux topologiques un bon matériau thermoélectrique, plus que les semi-conducteurs conventionnels comme le silicium”, explique Te-Huan Liu, postdoc au département de génie mécanique du MIT. « En fin de compte, cela pourrait être un moyen d’énergie propre pour nous aider à utiliser une source de chaleur pour produire de l’électricité, ce qui réduira nos rejets de dioxyde de carbone. »
Liu est le premier auteur de l’article PNAS, qui comprend les étudiants diplômés Jiawei Zhou, Zhiwei Ding et Qichen Song; Mingda Li, professeur adjoint au Département de sciences et d’ingénierie nucléaires; l’ancien étudiant diplômé Bolin Liao, maintenant professeur adjoint à l’Université de Californie à Santa Barbara; Liang Fu, professeur agrégé de physique à Biedenharn; et Gang Chen, le professeur Soderberg et chef du département de génie mécanique.
Un chemin librement parcouru
Lorsqu’un matériau thermoélectrique est exposé à un gradient de température — par exemple, une extrémité est chauffée, tandis que l’autre est refroidie — les électrons de ce matériau commencent à circuler de l’extrémité chaude à l’extrémité froide, générant un courant électrique. Plus la différence de température est grande, plus le courant électrique est produit et plus la puissance est générée. La quantité d’énergie qui peut être générée dépend des propriétés de transport particulières des électrons dans un matériau donné.
Les scientifiques ont observé que certains matériaux topologiques peuvent être transformés en dispositifs thermoélectriques efficaces grâce à la nanostructuration, une technique utilisée par les scientifiques pour synthétiser un matériau en modelant ses caractéristiques à l’échelle des nanomètres. Les scientifiques ont pensé que l’avantage thermoélectrique des matériaux topologiques provient d’une conductivité thermique réduite dans leurs nanostructures. Mais on ne sait pas comment cette amélioration de l’efficacité se connecte aux propriétés topologiques inhérentes du matériau.
Pour tenter de répondre à cette question, Liu et ses collègues ont étudié les performances thermoélectriques du tellurure d’étain, un matériau topologique connu pour être un bon matériau thermoélectrique. Les électrons du tellurure d’étain présentent également des propriétés particulières qui imitent une classe de matériaux topologiques appelés matériaux de Dirac.
L’équipe a cherché à comprendre l’effet de la nanostructuration sur les performances thermoélectriques du tellurure d’étain, en simulant la façon dont les électrons traversent le matériau. Pour caractériser le transport des électrons, les scientifiques utilisent souvent une mesure appelée « chemin libre moyen”, ou la distance moyenne qu’un électron avec une énergie donnée voyagerait librement à l’intérieur d’un matériau avant d’être dispersé par divers objets ou défauts dans ce matériau.
Les matériaux nanostructurés ressemblent à un patchwork de minuscules cristaux, chacun avec des bordures, appelées joints de grains, qui séparent un cristal d’un autre. Lorsque les électrons rencontrent ces limites, ils ont tendance à se disperser de diverses manières. Les électrons avec de longs chemins libres moyens se disperseront fortement, comme des balles ricochant sur un mur, tandis que les électrons avec des chemins libres moyens plus courts sont beaucoup moins affectés.
Dans leurs simulations, les chercheurs ont constaté que les caractéristiques électroniques du tellurure d’étain ont un impact significatif sur leurs chemins libres moyens. Ils ont tracé la gamme d’énergies d’électrons du tellurure d’étain par rapport aux chemins libres moyens associés, et ont trouvé que le graphique résultant semblait très différent de ceux de la plupart des semi-conducteurs conventionnels. Plus précisément, pour le tellurure d’étain et éventuellement d’autres matériaux topologiques, les résultats suggèrent que les électrons de plus haute énergie ont un chemin libre moyen plus court, tandis que les électrons de plus basse énergie possèdent généralement un chemin libre moyen plus long.
L’équipe a ensuite examiné comment ces propriétés électroniques affectent les performances thermoélectriques du tellurure d’étain, en résumant essentiellement les contributions thermoélectriques d’électrons de différentes énergies et de chemins libres moyens. Il s’avère que la capacité du matériau à conduire de l’électricité, ou à générer un flux d’électrons, sous un gradient de température, dépend en grande partie de l’énergie des électrons.
Plus précisément, ils ont constaté que les électrons de basse énergie ont tendance à avoir un impact négatif sur la génération d’une différence de tension, et donc du courant électrique. Ces électrons de basse énergie ont également des chemins libres moyens plus longs, ce qui signifie qu’ils peuvent être dispersés par des limites de grain plus intensément que les électrons de plus haute énergie.
Dimensionnement
Pour aller plus loin dans leurs simulations, l’équipe a joué avec la taille des grains individuels de tellurure d’étain pour voir si cela avait un effet sur le flux d’électrons sous un gradient de température. Ils ont constaté que lorsqu’ils réduisaient le diamètre d’un grain moyen à environ 10 nanomètres, rapprochant ses limites, ils ont observé une contribution accrue des électrons de plus haute énergie.
C’est-à-dire qu’avec des grains de plus petite taille, les électrons de plus haute énergie contribuent beaucoup plus à la conduction électrique du matériau que les électrons de plus basse énergie, car ils ont des chemins libres moyens plus courts et sont moins susceptibles de se disperser contre les limites des grains. Il en résulte une différence de tension plus importante qui peut être générée.
De plus, les chercheurs ont constaté que la réduction de la taille moyenne des grains de tellurure d’étain à environ 10 nanomètres produisait trois fois la quantité d’électricité que le matériau aurait produite avec des grains plus gros.
Liu affirme que même si les résultats sont basés sur des simulations, les chercheurs peuvent obtenir des performances similaires en synthétisant du tellurure d’étain et d’autres matériaux topologiques, et en ajustant leur taille de grain à l’aide d’une technique de nanostructuration. D’autres chercheurs ont suggéré que la réduction de la taille des grains d’un matériau pourrait augmenter ses performances thermoélectriques, mais Liu dit qu’ils ont principalement supposé que la taille idéale serait beaucoup plus grande que 10 nanomètres.
« Dans nos simulations, nous avons constaté que nous pouvions réduire la taille des grains d’un matériau topologique beaucoup plus qu’on ne le pensait auparavant, et sur la base de ce concept, nous pouvons augmenter son efficacité”, explique Liu.
Le tellurure d’étain n’est qu’un exemple parmi de nombreux matériaux topologiques qui doivent encore être explorés. Si les chercheurs peuvent déterminer la taille de grain idéale pour chacun de ces matériaux, Liu affirme que les matériaux topologiques pourraient bientôt être une alternative viable et plus efficace à la production d’énergie propre.
« Je pense que les matériaux topologiques sont très bons pour les matériaux thermoélectriques, et nos résultats montrent qu’il s’agit d’un matériau très prometteur pour de futures applications”, explique Liu.
Cette recherche a été soutenue en partie par le Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, un centre de recherche sur les frontières énergétiques du Département de l’Énergie des États-Unis, et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).