Les matériaux thermoélectriques peuvent être utilisés pour transformer la chaleur perdue en électricité ou pour fournir une réfrigération sans aucun liquide de refroidissement, et une équipe de recherche de l'Université du Michigan a trouvé un moyen de presque doubler l'efficacité d'une classe particulière d'entre eux qui est faite de semi-conducteurs organiques.

Les semi-conducteurs organiques sont des composés riches en carbone qui sont relativement bon marché, abondant, léger et résistant. Mais ils n'ont traditionnellement pas été considérés comme des matériaux thermoélectriques candidats car ils ont été inefficaces dans la réalisation du processus essentiel de conversion chaleur-électricité.

Les matériaux thermoélectriques les plus efficaces d'aujourd'hui sont constitués de semi-conducteurs inorganiques relativement rares tels que le bismuth, tellure et sélénium qui sont chers, fragile et souvent toxique. Toujours, ils parviennent à convertir la chaleur en électricité plus de quatre fois plus efficacement que les semi-conducteurs organiques créés à ce jour.

Cette plus grande efficacité se reflète dans une métrique connue par les chercheurs sous le nom de « figure de mérite » thermoélectrique. Cette métrique est d'environ 1 près de la température ambiante pour les matériaux thermoélectriques inorganiques de pointe, mais seulement 0,25 pour les semi-conducteurs organiques.

Les chercheurs de l'UM ont amélioré de près de 70 % l'état de l'art des semi-conducteurs organiques, atteindre une figure de mérite de 0,42 dans un composé connu sous le nom de PEDOT:PSS.

"C'est environ deux fois moins efficace que les semi-conducteurs inorganiques actuels, " a déclaré le chef de projet Kevin Pipe, professeur agrégé de génie mécanique ainsi que de génie électrique et d'informatique. Pipe est co-auteur d'un article sur la recherche publié dans Matériaux naturels le 5 mai, 2013.

PEDOT:PSS est un mélange de deux polymères :le polymère conjugué PEDOT et le polyélectrolyte PSS. Il a déjà été utilisé comme électrode transparente pour des appareils tels que les LED organiques et les cellules solaires, ainsi qu'un agent antistatique pour les matériaux tels que les films photographiques.

L'une des façons dont les scientifiques et les ingénieurs augmentent la capacité d'un matériau à conduire l'électricité est d'y ajouter des impuretés dans un processus connu sous le nom de dopage. Lorsque ces ingrédients ajoutés, appelés dopants, adhérer au matériau hôte, ils lui donnent un support électrique. Chacun de ces supports supplémentaires améliore la conductivité électrique du matériau.

En PEDOT dopé par PSS, cependant, seule une petite fraction des molécules PSS se lie réellement au PEDOT hôte; le reste des molécules PSS ne s'ionise pas et est inactif. Les chercheurs ont découvert que ces molécules de PSS en excès inhibent considérablement à la fois la conductivité électrique et les performances thermoélectriques du matériau.

"Le problème est que les molécules PSS inactives éloignent les molécules PEDOT, rendant plus difficile pour les électrons de sauter entre les molécules PEDOT, " Pipe a dit. " Alors que les molécules PSS ionisées améliorent la conductivité électrique, les molécules de PSS non ionisées le réduisent."

Pour améliorer son efficacité thermoélectrique, les chercheurs ont restructuré le matériau à l'échelle nanométrique. Pipe et son équipe ont découvert comment utiliser certains solvants pour éliminer certaines de ces molécules de dopant PSS non ionisées du mélange, conduisant à de fortes augmentations à la fois de la conductivité électrique et de l'efficacité de conversion d'énergie thermoélectrique.

Ce matériau thermoélectrique organique particulier serait efficace à des températures allant jusqu'à environ 250 degrés Fahrenheit.

« À terme, cette technologie pourrait nous permettre de créer une feuille flexible - pensez à Saran Wrap - qui peut être déroulée ou enroulée autour d'un objet chaud pour générer de l'électricité ou fournir un refroidissement, " dit Pipe.