Représentation schématique de la dérive E × B des porteurs dans un champ magnétique intense. Les électrons (notés e−) et les trous (notés h+) dérivent dans la même direction sous l'influence de champs électriques et magnétiques croisés. Les deux signes de porteur contribuent de manière additive au courant thermique dans la direction x et soustractivement au courant électrique dans la direction x, ce qui conduit à une grande chaleur Peltier Pxx et donc à une grande thermopuissance Sxx. Crédit: Avancées scientifiques (2018). advances.sciencemag.org/content/4/5/eaat2621
Imaginez pouvoir alimenter votre voiture en partie grâce à la chaleur que dégage son moteur. Ou si vous pouviez obtenir une partie de l'électricité de votre maison à partir de la chaleur émise par une centrale électrique ? De tels scénarios écoénergétiques pourraient un jour être possibles grâce à l'amélioration des matériaux thermoélectriques, qui produisent spontanément de l'électricité lorsqu'un côté du matériau est chauffé.
Au cours des 60 dernières années environ, les scientifiques ont étudié un certain nombre de matériaux pour caractériser leur potentiel thermoélectrique, ou l'efficacité avec laquelle ils convertissent la chaleur en électricité. Mais à ce jour, la plupart de ces matériaux ont donné des rendements trop faibles pour une utilisation pratique généralisée.
Les physiciens du MIT ont maintenant trouvé un moyen d'augmenter considérablement le potentiel de la thermoélectricité, avec une méthode théorique qu'ils rapportent aujourd'hui dans Avancées scientifiques . Le matériau qu'ils modélisent avec cette méthode est cinq fois plus efficace, et pourrait potentiellement générer deux fois plus d'énergie, comme les meilleurs matériaux thermoélectriques qui existent aujourd'hui.
"Si tout se passe pour nos rêves les plus fous, puis soudainement, beaucoup de choses qui sont actuellement trop inefficaces pour le faire deviendront plus efficaces, " dit l'auteur principal Brian Skinner, un post-doctorat au Laboratoire de recherche en électronique du MIT. "Vous pourriez voir dans les voitures des gens de petits récupérateurs thermoélectriques qui prennent cette chaleur perdue que votre moteur de voiture retarde, et l'utiliser pour recharger la batterie. Ou ces appareils peuvent être placés autour des centrales électriques afin que la chaleur qui était autrefois gaspillée par votre réacteur nucléaire ou votre centrale électrique au charbon soit maintenant récupérée et injectée dans le réseau électrique. »
Le co-auteur de Skinner sur le papier est Liang Fu, Sarah W. Biedenharn Career Development Associate Professor of Physics au MIT.
Trouver des trous dans une théorie
La capacité d'un matériau à produire de l'énergie à partir de la chaleur est basée sur le comportement de ses électrons en présence d'une différence de température. Lorsqu'un côté d'un matériau thermoélectrique est chauffé, il peut énergiser les électrons pour qu'ils s'éloignent du côté chaud et s'accumulent du côté froid. L'accumulation d'électrons qui en résulte peut créer une tension mesurable.
Les matériaux qui ont été explorés jusqu'à présent ont généré très peu d'énergie thermoélectrique, en partie parce que les électrons sont relativement difficiles à activer thermiquement. Dans la plupart des matériaux, les électrons existent dans des bandes spécifiques, ou des gammes d'énergie. Chaque bande est séparée par un espace, une petite plage d'énergies dans laquelle les électrons ne peuvent pas exister. Stimuler suffisamment les électrons pour traverser une bande interdite et migrer physiquement à travers un matériau a été extrêmement difficile.
Skinner et Fu ont décidé d'étudier le potentiel thermoélectrique d'une famille de matériaux appelés semi-métaux topologiques. Contrairement à la plupart des autres matériaux solides tels que les semi-conducteurs et les isolants, Les semi-métaux topologiques sont uniques en ce qu'ils ont des bandes interdites nulles, une configuration énergétique qui permet aux électrons de sauter facilement vers des bandes d'énergie plus élevées lorsqu'ils sont chauffés.
Les scientifiques avaient supposé que les semi-métaux topologiques, un type de matériau relativement nouveau qui est en grande partie synthétisé en laboratoire, ne produirait pas beaucoup d'énergie thermoélectrique. Lorsque le matériau est chauffé d'un côté, les électrons sont excités, et s'accumulent à l'autre extrémité. Mais comme ces électrons chargés négativement sautent vers des bandes d'énergie plus élevées, ils laissent derrière eux ce que l'on appelle des « trous », des particules de charge positive qui s'accumulent également sur le côté froid du matériau, annulant l'effet des électrons et produisant très peu d'énergie au final.
Mais l'équipe n'était pas tout à fait prête à écarter ce matériel. Dans un peu de recherche sans rapport, Skinner avait remarqué un effet curieux dans les semi-conducteurs qui sont exposés à un fort champ magnétique. Dans de telles conditions, le champ magnétique peut affecter le mouvement des électrons, infléchir leur trajectoire. Skinner et Fu se sont demandé :quel type d'effet un champ magnétique pourrait-il avoir sur les semi-métaux topologiques ?
Ils ont consulté la littérature et découvert qu'une équipe de l'université de Princeton, en essayant de caractériser complètement un type de matériau topologique connu sous le nom de séléniure de plomb-étain, avait également mesuré ses propriétés thermoélectriques sous champ magnétique en 2013. Parmi leurs nombreuses observations du matériau, les chercheurs avaient signalé une augmentation de la production thermoélectrique, sous un champ magnétique très élevé de 35 tesla (la plupart des appareils d'IRM, en comparaison, fonctionnent autour de 2 à 3 tesla).
Skinner et Fu ont utilisé les propriétés du matériau de l'étude de Princeton pour modéliser théoriquement les performances thermoélectriques du matériau dans une gamme de conditions de température et de champ magnétique.
"Nous avons finalement compris que sous un fort champ magnétique, une drôle de chose arrive, où vous pourriez faire bouger les électrons et les trous dans des directions opposées, " Skinner dit. " Les électrons vont vers le côté froid, et des trous vers le côté chaud. Ils travaillent ensemble et, en principe, vous pourriez obtenir une tension de plus en plus grande avec le même matériau simplement en renforçant le champ magnétique."
Puissance Tesla
Dans leur modélisation théorique, le groupe a calculé le ZT du séléniure de plomb, ou figure de mérite, une quantité qui vous indique à quel point votre matériau est proche de la limite théorique de production d'électricité à partir de la chaleur. Les matériaux les plus efficaces qui ont été rapportés jusqu'à présent ont un ZT d'environ 2. Skinner et Fu ont constaté que, sous un fort champ magnétique d'environ 30 teslas, Le séléniure de plomb-étain peut avoir un ZT d'environ 10, soit cinq fois plus efficace que les thermoélectriques les plus performants.
"C'est loin d'être à l'échelle, " dit Skinner. " Quand nous sommes tombés sur cette idée pour la première fois, cela semblait un peu trop dramatique. Il m'a fallu quelques jours pour me convaincre que tout s'additionne."
Ils calculent qu'un matériau avec un ZT égal à 10, s'il est chauffé à température ambiante à environ 500 kelvins, ou 440 degrés Fahrenheit, sous un champ magnétique de 30 teslas, devrait être capable de transformer 18 pour cent de cette chaleur en électricité, par rapport aux matériaux avec un ZT égal à 2, qui ne serait capable de convertir que 8 pour cent de cette chaleur en énergie.
Le groupe reconnaît que, pour atteindre des rendements aussi élevés, les semi-métaux topologiques actuellement disponibles devraient être chauffés sous un champ magnétique extrêmement élevé qui ne pourrait être produit que par une poignée d'installations dans le monde. Pour que ces matériaux soient pratiques pour une utilisation dans les centrales électriques ou les automobiles, ils devraient fonctionner dans la gamme de 1 à 2 tesla.
Fu dit que cela devrait être faisable si un semi-métal topologique était extrêmement propre, ce qui signifie qu'il y a très peu d'impuretés dans le matériau qui gêneraient le flux d'électrons.
« Rendre des matériaux très propres est très difficile, mais les gens ont consacré beaucoup d'efforts à la croissance de haute qualité de ces matériaux, " dit Fu.
Il ajoute que le séléniure de plomb-étain, le matériel sur lequel ils se sont concentrés dans leur étude, n'est pas le semi-métal topologique le plus propre que les scientifiques aient synthétisé. En d'autres termes, il peut y en avoir d'autres, des matériaux plus propres qui peuvent générer la même quantité d'énergie thermique avec un champ magnétique beaucoup plus petit.
"On voit bien que ce matériau est un bon matériau thermoélectrique, mais il devrait y en avoir de meilleurs, " dit Fu. " Une approche consiste à prendre le meilleur [semi-métal topologique] que nous ayons actuellement, et appliquer un champ magnétique de 3 tesla. Il ne peut pas augmenter l'efficacité d'un facteur 2, mais peut-être 20 ou 50 pour cent, ce qui est déjà une assez grande avancée."
L'équipe a déposé un brevet pour leur nouvelle approche thermoélectrique et collabore avec des chercheurs de Princeton pour tester expérimentalement la théorie.