L'intense intérêt pour la récupération d'énergie à partir de sources de chaleur a conduit à une nouvelle poussée pour découvrir des matériaux qui peuvent convertir plus efficacement la chaleur en électricité. Certains chercheurs constatent ces gains en repensant les matériaux avec lesquels les scientifiques travaillent depuis des années.

Une équipe de chercheurs du Boston College et du MIT rapporte avoir développé un roman, conception nanotechnologique qui augmente les performances thermoélectriques d'un semi-conducteur en alliage en vrac de 30 à 40 pour cent au-dessus de son facteur de mérite précédemment atteint, le bâton de mesure de l'efficacité de conversion en thermoélectrique.

L'alliage en question, Silicium Germanium, a été apprécié pour ses performances dans les applications thermoélectriques à haute température, y compris son utilisation dans les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes sur les missions de vol de la NASA. Mais des applications plus larges ont été limitées en raison de ses faibles performances thermoélectriques et du coût élevé du germanium.

Professeur de physique au Boston College Zhifeng Ren et chercheur diplômé Bo Yu, et les professeurs du MIT Gang Chen et Mildred S. Dresselhause et la chercheuse post-doctorale Mona Zebarjadi, rapport dans la revue Lettres nano que la modification de la conception du SiGe en vrac avec un processus emprunté à l'industrie des semi-conducteurs à couche mince a permis de produire une augmentation de plus de 50 % de la conductivité électrique.

Le processus, connue sous le nom de stratégie de dopage de modulation 3D, a réussi à créer un dispositif à semi-conducteurs qui a permis une réduction simultanée de la conductivité thermique, qui, combinés à des gains de conductivité, fournissent un facteur de mérite élevé d'environ 1,3 à 900 °C.

"Améliorer la figure de mérite d'un matériau est extrêmement difficile car tous les paramètres internes sont étroitement liés les uns aux autres, " dit Yu. " Une fois que vous changez un facteur, les autres peuvent très probablement changer, n'entraînant aucune amélioration nette. Par conséquent, une tendance plus populaire dans ce domaine d'études est de rechercher de nouvelles opportunités, ou de nouveaux systèmes matériels. Notre étude a prouvé que des opportunités existent toujours pour les matériaux existants, si l'on pouvait travailler assez intelligemment pour trouver des conceptions de matériaux alternatifs."

Ren a souligné que les gains de performances signalés par l'équipe rivalisaient avec les matériaux d'alliage SiGe de type n à la pointe de la technologie, avec une différence cruciale que la conception de l'équipe nécessite l'utilisation de 30 % de germanium en moins, qui pose un défi à la recherche énergétique en raison de son coût élevé. La réduction des coûts est cruciale pour les nouvelles technologies énergétiques propres, il a noté.

« L'utilisation de 30% de germanium en moins est un avantage significatif pour réduire les coûts de fabrication, " a déclaré Ren. "Nous voulons que tous les matériaux que nous étudions dans le groupe aident à éliminer les barrières financières. C'est l'un de nos objectifs pour la recherche quotidienne."

La collaboration entre Ren et Chen du MIT a produit plusieurs percées dans la science thermoélectrique, en particulier dans le contrôle du transport des phonons dans les matériaux composites thermoélectriques en vrac. La recherche de l'équipe est financée par le Solid State Solar Thermal Energy Conversion Center.