Les matériaux thermoélectriques sont considérés comme une ressource clé pour l'avenir - capables de produire de l'électricité à partir de sources de chaleur qui seraient autrement gaspillées, des centrales électriques, sorties d'échappement de véhicules et ailleurs, sans générer de gaz à effet de serre supplémentaires. Bien qu'un certain nombre de matériaux ayant des propriétés thermoélectriques aient été découverts, la plupart produisent trop peu d'énergie pour des applications pratiques.

Une équipe de chercheurs - d'universités des États-Unis et de Chine, ainsi que Oak Ridge National Laboratory - signale un nouveau mécanisme pour améliorer les performances grâce à une plus grande mobilité des transporteurs, augmenter la vitesse à laquelle les électrons porteurs de charge peuvent se déplacer à travers le matériau. L'oeuvre, rapporté cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , axé sur un matériau magnésium-antimoine de type n récemment découvert avec un facteur de mérite thermoélectrique relativement élevé, mais l'auteur principal Zhifeng Ren a déclaré que le concept pourrait également s'appliquer à d'autres matériaux.

"Quand vous améliorez la mobilité, vous améliorez le transport des électrons et les performances globales, " dit Ren, M.D. Anderson Chair professeur de physique à l'Université de Houston et chercheur principal au Texas Center for Superconductivity à UH.

Les matériaux thermoélectriques produisent de l'électricité en exploitant le flux de courant thermique d'une zone plus chaude vers une zone plus froide, et leur efficacité est calculée comme la mesure de la façon dont le matériau convertit la chaleur en énergie. Cependant, parce que la chaleur résiduelle est à la fois une source abondante et gratuite de combustible, le taux de conversion est moins important que la quantité totale d'énergie pouvant être produite, dit Ren. Cela a incité les chercheurs à rechercher des moyens d'améliorer le facteur de puissance des matériaux thermoélectriques.

Paul Ching-Wu Chu, TLL Temple Chair of Science, directeur fondateur et scientifique en chef du Texas Center for Superconductivity, a noté que Ren avait précédemment démontré l'importance du facteur de puissance d'un matériau pour déterminer son efficacité dans un dispositif thermoélectrique. Chu est co-auteur de ce travail le plus récent, qui, selon lui, "démontre dans les matériaux à base de magnésium et d'antimoine de type n que le facteur de puissance peut en effet être amélioré en réglant correctement la diffusion des porteurs dans le matériau".

« Cela ouvre une nouvelle voie à des appareils thermoélectriques plus puissants, " il ajouta.

Les semi-conducteurs thermoélectriques existent en deux variantes, type n, créé en remplaçant un élément résultant en un électron « libre » pour porter la charge, et de type p, dans lequel l'élément de remplacement a un électron de moins que l'élément qu'il a remplacé, laissant un "trou" qui facilite le mouvement de l'énergie lorsque les électrons se déplacent à travers le matériau pour remplir la place vacante.

Les travaux rapportés dans PNAS répond au besoin d'un composé magnésium-antimoine de type n plus puissant, étendre son potentiel en tant que matériau thermoélectrique pouvant être associé à un matériau magnésium-antimoine de type p efficace, qui avait été signalé précédemment.

Le facteur de puissance du matériau peut être augmenté en augmentant la mobilité des porteurs, les chercheurs ont dit. "Nous rapportons ici une amélioration substantielle de la mobilité des porteurs en ajustant le mécanisme de diffusion des porteurs dans des matériaux à base de Mg3Sb2 de type n, " ont-ils écrit. "... Nos résultats démontrent clairement que la stratégie de réglage du mécanisme de diffusion des porteurs est assez efficace pour améliorer la mobilité et devrait également être applicable à d'autres systèmes matériels."

Les chercheurs ont remplacé une petite fraction de magnésium dans le composé par une variété d'éléments de métaux de transition, y compris le fer, cobalt, hafnium et tantale, déterminer la meilleure façon de stimuler la mobilité des transporteurs et, à travers ça, le facteur de puissance du matériau.

« Notre travail, " concluent les chercheurs, « démontre que le mécanisme de diffusion des porteurs pourrait jouer un rôle essentiel dans les propriétés thermoélectriques du matériau, et le concept de réglage du mécanisme de diffusion des porteurs devrait être largement applicable à une variété de systèmes matériels."