Les matériaux thermoélectriques peuvent transformer une différence de température en électricité. Des matériaux thermoélectriques organiques pourraient être utilisés pour alimenter des appareils électroniques ou des capteurs portables; cependant, la puissance de sortie est encore très faible. Une équipe internationale dirigée par Jan Anton Koster, Professeur de physique des semi-conducteurs à l'Université de Groningue, a maintenant produit un semi-conducteur organique de type n avec des propriétés supérieures qui rapprochent grandement ces applications. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature le 10 novembre.

Le générateur thermoélectrique est la seule source d'énergie fabriquée par l'homme en dehors de notre système solaire :les deux sondes spatiales Voyager, qui ont été lancés en 1977 et sont maintenant dans l'espace interstellaire, sont alimentés par des générateurs qui convertissent la chaleur (dans ce cas, fourni par une source radioactive) en un courant électrique. "Ce qui est bien avec ces générateurs, c'est qu'ils sont des appareils à semi-conducteurs, sans aucune pièce mobile, " explique Koster.

Conductivité

Cependant, le matériau thermoélectrique inorganique utilisé dans les générateurs du Voyager ne convient pas à des applications plus banales. Ces matières inorganiques contiennent des éléments toxiques ou très rares. Par ailleurs, ils sont généralement rigides et cassants. "C'est pourquoi l'intérêt pour les matériaux thermoélectriques organiques augmente, " dit Koster. Pourtant, ces matériaux ont leurs propres problèmes. Le matériau thermoélectrique optimal est un verre phonon, qui a une très faible conductivité thermique (afin qu'il puisse maintenir une différence de température) et aussi un cristal électronique à haute conductivité électrique (pour transporter le courant généré). Koster dit, "Le problème avec les semi-conducteurs organiques est qu'ils ont généralement une faible conductivité électrique."

Néanmoins, plus d'une décennie d'expérience dans le développement de matériaux photovoltaïques organiques à l'université de Groningue a conduit l'équipe sur la voie d'un meilleur matériau thermoélectrique organique. Ils ont concentré leur attention sur un semi-conducteur de type n, qui porte une charge négative. Pour un générateur thermoélectrique, des semi-conducteurs de type n et de type p (portant une charge positive) sont nécessaires, bien que l'efficacité des semi-conducteurs organiques de type p soit déjà assez bonne.

Buckyballs

L'équipe a utilisé des fullerènes ('buckyballs, ' composé de soixante atomes de carbone) auxquels s'ajoute une double chaîne latérale de type triéthylène glycol. Pour augmenter la conductivité électrique, un n-dopant a été ajouté. "Les fullerènes ont déjà une faible conductivité thermique, mais l'ajout des chaînes latérales le rend encore plus bas, donc le matériau est un très bon verre phonon, " dit Koster. " De plus, ces chaînes incorporent également le dopant et créent une structure très ordonnée lors du recuit." Ce dernier fait du matériau un cristal électrique, avec une conductivité électrique similaire à celle des fullerènes purs.

« Nous avons maintenant fabriqué le premier cristal électrique en verre de phonon organique, " dit Koster. " Mais la partie la plus excitante pour moi est ses propriétés thermoélectriques. " Celles-ci sont exprimées par la valeur ZT. Le T fait référence à la température à laquelle le matériau fonctionne, tandis que Z incorpore les autres propriétés du matériau. Le nouveau matériau augmente la valeur ZT la plus élevée de sa catégorie de 0,2 à plus de 0,3, une amélioration notable.

Capteurs

"Une valeur ZT de 1 est considérée comme une efficacité commercialement viable, mais nous pensons que notre matériel pourrait déjà être utilisé dans des applications qui nécessitent un faible rendement, " dit Koster. Pour alimenter les capteurs, par exemple, quelques microwatts de puissance sont nécessaires et ceux-ci pourraient être produits par quelques centimètres carrés du nouveau matériau. "Nos collaborateurs à Milan créent déjà des générateurs thermoélectriques utilisant des fullerènes avec une seule chaîne latérale, qui ont une valeur ZT inférieure à celle que nous avons maintenant."

Les fullerènes, la chaîne latérale et le dopant sont tous facilement disponibles et la production du nouveau matériau peut probablement être augmentée sans trop de problèmes, selon Koster. Il est extrêmement satisfait des résultats de cette étude. "L'article compte vingt auteurs de neuf groupes de recherche différents. Nous avons utilisé nos connaissances combinées de la chimie organique de synthèse, semi-conducteurs organiques, dynamique moléculaire, conductivité thermique et études structurelles aux rayons X pour obtenir ce résultat. Et nous avons déjà quelques idées sur la façon d'augmenter encore l'efficacité."