Le séléniure d’étain purifié a des performances thermoélectriques extraordinairement élevées.
Persévérance, Nasa‘s 2020 Mars rover, est alimenté par quelque chose de très désirable ici sur Terre : un dispositif thermoélectrique, qui convertit la chaleur en électricité utile.
Sur Mars, la source de chaleur est la désintégration radioactive du plutonium, et l’efficacité de conversion de l’appareil est de 4 à 5 %. C’est assez bon pour alimenter Persévérance et ses opérations, mais pas assez pour des applications sur Terre.
Une équipe de scientifiques de Université du nord-ouest et l’Université nationale de Séoul en Corée a maintenant fait la démonstration d’un matériau thermoélectrique hautement performant sous une forme pratique qui peut être utilisé dans le développement de dispositifs. Le matériau – le séléniure d’étain purifié sous forme polycristalline – surpasse la forme monocristalline dans la conversion de la chaleur en électricité, ce qui en fait le système thermoélectrique le plus efficace jamais enregistré. Les chercheurs ont pu atteindre le taux de conversion élevé après avoir identifié et éliminé un problème d’oxydation qui avait dégradé les performances dans des études antérieures.
Le séléniure d’étain polycristallin pourrait être développé pour être utilisé dans des dispositifs thermoélectriques à semi-conducteurs dans une variété d’industries, avec des économies d’énergie potentiellement énormes. Un objectif d’application clé est la capture de la chaleur résiduelle industrielle – comme celle des centrales électriques, de l’industrie automobile et des usines de verrerie et de fabrication de briques – et sa conversion en électricité. Plus de 65 % de l’énergie produite dans le monde à partir de combustibles fossiles est perdue sous forme de chaleur résiduelle.
Séléniure d’étain purifié présenté sous forme de pastilles. Le matériau a des performances thermoélectriques extraordinairement élevées. Crédit : Université Northwestern
“Les dispositifs thermoélectriques sont utilisés, mais uniquement dans des applications de niche, comme dans le rover Mars”, a déclaré Mercouri Kanatzidis de Northwestern, un chimiste spécialisé dans la conception de nouveaux matériaux. « Ces appareils ne se sont pas propagés comme les cellules solaires, et il y a des défis importants à relever pour en fabriquer de bons. Nous nous concentrons sur le développement d’un matériau qui serait à faible coût et haute performance et propulserait les dispositifs thermoélectriques dans une application plus répandue. »
Kanatzidis, professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences, est co-auteur de l’étude. Il a une nomination conjointe avec le Laboratoire National d’Argonne.
Les détails du matériau thermoélectrique et de ses performances record ont été publiés le 2 août 2021 dans la revue Matériaux naturels.
In Chung de l’Université nationale de Séoul est l’autre auteur co-correspondant de l’article. Vinayak Dravid, professeur Abraham Harris de science et d’ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern, est l’un des auteurs principaux de l’étude. Dravid est un collaborateur de longue date de Kanatzidis.
Les dispositifs thermoélectriques sont déjà bien définis, dit Kanatzidis, mais ce qui les fait fonctionner bien ou non, c’est le matériau thermoélectrique à l’intérieur. Un côté de l’appareil est chaud et l’autre froid. Le matériau thermoélectrique se trouve au milieu. La chaleur circule à travers le matériau et une partie de la chaleur est convertie en électricité, qui quitte l’appareil via des fils.
Le matériau doit avoir une conductivité thermique extrêmement faible tout en conservant une bonne conductivité électrique pour être efficace dans la conversion de la chaleur perdue. Et parce que la source de chaleur peut atteindre 400-500 degrés Celsius, le matériau doit être stable à très haute température. Ces défis et d’autres rendent les dispositifs thermoélectriques plus difficiles à produire que les cellules solaires.
« Il se passait quelque chose de diabolique »
En 2014, Kanatzidis et son équipe ont rapporté la découverte d’un matériau surprenant qui était le meilleur au monde pour convertir la chaleur perdue en électricité utile : la forme cristalline du composé chimique séléniure d’étain. Bien qu’il s’agisse d’une découverte importante, la forme monocristalline n’est pas pratique pour la production de masse en raison de sa fragilité et de sa tendance à s’écailler.
Le séléniure d’étain sous forme polycristalline, qui est plus résistant et peut être coupé et façonné pour des applications, était nécessaire, alors les chercheurs se sont tournés vers l’étude du matériau sous cette forme. Dans une mauvaise surprise, ils ont découvert que la conductivité thermique du matériau était élevée, et non le faible niveau souhaitable trouvé dans la forme monocristalline.
“Nous avons réalisé que quelque chose de diabolique se produisait”, a déclaré Kanatzidis. « On s’attendait à ce que le séléniure d’étain sous forme polycristalline n’ait pas une conductivité thermique élevée, mais c’est le cas. Nous avons eu un problème.
Après un examen plus approfondi, les chercheurs ont découvert une peau d’étain oxydé sur le matériau. La chaleur a traversé la peau conductrice, augmentant la conductivité thermique, ce qui est indésirable dans un dispositif thermoélectrique.
Une solution est trouvée, ouvrant des portes
Après avoir appris que l’oxydation provenait à la fois du processus lui-même et des matières premières, l’équipe coréenne a trouvé un moyen d’éliminer l’oxygène. Les chercheurs ont ensuite pu produire des pastilles de séléniure d’étain sans oxygène, qu’ils ont ensuite testées.
La véritable conductivité thermique de la forme polycristalline a été mesurée et s’est avérée inférieure, comme prévu initialement. Ses performances en tant que dispositif thermoélectrique, convertissant la chaleur en électricité, ont dépassé celles de la forme monocristalline, ce qui en fait le plus efficace jamais enregistré.
L’efficacité de la conversion de la chaleur résiduelle en thermoélectrique se reflète dans sa « figure de mérite », un nombre appelé ZT. Plus le nombre est élevé, meilleur est le taux de conversion. Le ZT du séléniure d’étain monocristallin était d’environ 2,2 à 2,6 à 913 Kelvin. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que le séléniure d’étain purifié sous forme polycristalline avait un ZT d’environ 3,1 à 783 Kelvin. Sa conductivité thermique était ultra-faible, inférieure à celle des monocristaux.
“Cela ouvre la porte à la construction de nouveaux dispositifs à partir de pastilles de séléniure d’étain polycristallin et à l’exploration de leurs applications”, a déclaré Kanatzidis.
Northwestern détient la propriété intellectuelle du séléniure d’étain. Les domaines d’application potentiels du matériau thermoélectrique comprennent l’industrie automobile (une quantité importante d’énergie potentielle de l’essence sort du tuyau d’échappement d’un véhicule), les industries manufacturières lourdes (telles que la fabrication de verre et de briques, les raffineries, les centrales électriques au charbon et au gaz) et les endroits où les gros moteurs à combustion fonctionnent en continu (comme dans les grands navires et les pétroliers).
Référence : « SnSe polycristallin avec une figure de mérite thermoélectrique supérieure au monocristal » par Chongjian Zhou, Yong Kyu Lee, Yuan Yu, Sejin Byun, Zhong-Zhen Luo, Hyungseok Lee, Bangzhi Ge, Yea-Lee Lee, Xinqi Chen, Ji Yeong Lee, Oana Cojocaru-Mirédin, Hyunju Chang, Jino Im, Sung-Pyo Cho, Matthias Wuttig, Vinayak P. Dravid, Mercouri G. Kanatzidis et In Chung, 2 août 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-01064-6
La recherche a été financée par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (NRF-2020R1A2C2011111), le programme de développement de la technologie des nanomatériaux via la subvention NRF financée par le gouvernement coréen (NRF-2017M3A7B4049274 et NRF-2017M3A7B4049273) et l’Institut des sciences fondamentales (IBS-R009-G2).
