Persévérance, Le rover Mars 2020 de la NASA, est alimenté par quelque chose de très désirable ici sur Terre :un appareil 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 4-5%. C'est assez bon pour alimenter Persévérance et ses opérations, mais pas assez pour des applications sur Terre.

Une équipe de scientifiques de l'Université Northwestern et de l'Université nationale de Séoul en Corée a maintenant démontré un matériau thermoélectrique haute performance 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, telle que celle des centrales électriques, l'industrie automobile et les usines de verrerie et de briques — et la 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.

« Des appareils 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 n'ont pas pris comme les cellules solaires, et il y a des défis importants à faire de bons. Nous nous concentrons sur le développement d'un matériau qui serait à faible coût et à hautes performances et propulserait les dispositifs thermoélectriques dans une application plus répandue. »

Kanatzidis, le professeur de chimie Charles E. et Emma H. ​​Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences, est co-auteur de l'étude. Il a un rendez-vous conjoint avec le Laboratoire National d'Argonne.

Les détails du matériau thermoélectrique et de ses performances record seront publiés le 2 août dans le journal Matériaux naturels .

In Chung de l'Université nationale de Séoul est l'autre auteur co-correspondant de l'article. Vinayak Dravid, le 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 bien fonctionner 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 traverse 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 à 500 degrés Celsius, le matériau doit être stable à des températures très élevées. 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'étant 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.

Séléniure d'étain sous forme polycristalline, qui est plus solide et peut être coupé et façonné pour des applications, était nécessaire, les chercheurs se sont donc tournés vers l'étude du matériau sous cette forme. Dans une mauvaise surprise, ils ont trouvé que la conductivité thermique du matériau était élevée, pas le niveau bas souhaitable trouvé dans la forme monocristalline.

"Nous avons réalisé qu'il se passait quelque chose de diabolique, " a déclaré Kanatzidis. " On s'attendait à ce que le séléniure d'étain sous forme polycristalline n'ait pas une conductivité thermique élevée, mais il l'a fait. Nous avons eu un problème."

A y regarder de plus près, les chercheurs ont découvert une peau d'étain oxydé sur le matériau. La chaleur a traversé la peau conductrice, augmenter la conductivité thermique, ce qui est indésirable dans un dispositif thermoélectrique.

Une solution est trouvée, portes ouvertes

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 pourraient alors produire des pastilles de séléniure d'étain sans oxygène, qu'ils ont ensuite testés.

La vraie conductivité thermique de la forme polycristalline a été mesurée et s'est avérée plus faible, comme prévu initialement. Ses performances en tant qu'appareil thermoélectrique, convertir la chaleur en électricité, dépassé celui de la forme monocristalline, ce qui en fait le plus efficace jamais enregistré.

L'efficacité de la conversion de la chaleur perdue en thermoélectrique se reflète par sa "figure de mérite, " un numéro appelé ZT. Plus le numéro 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, inférieur aux 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), industries manufacturières lourdes (telles que la fabrication de verre et de briques, raffineries, centrales électriques au charbon et au gaz) et les endroits où de gros moteurs à combustion fonctionnent en continu (comme dans les grands navires et les pétroliers).

Le titre de l'article est « SnSe polycristallin avec un facteur de mérite thermoélectrique supérieur à celui du monocristal ».