La recherche de thermoélectriques, des matériaux exotiques qui convertissent directement la chaleur en électricité, a reçu un coup de pouce des chercheurs du California Institute of Technology et de l'Université de Tokyo, qui ont trouvé le meilleur moyen de les identifier.
Dans la nouvelle revue en libre accès Matériaux APL , l'équipe montre qu'une technique relativement simple appelée "approximation de bande rigide" peut prédire les propriétés d'un matériau avec plus de précision qu'un concurrent, méthode plus compliquée.
"L'approche de la bande rigide fournit toujours le simple, concepts d'ingénierie prédictive dont nous avons besoin pour découvrir des compositions de matériaux thermoélectriques fructueuses, " dit G. Jeffrey Snyder, un associé de la faculté Caltech en science des matériaux, qui a dirigé la recherche.
Les thermoélectriques sont utilisés depuis les années 1950 pour alimenter les engins spatiaux en convertissant la chaleur de la désintégration radioactive en électricité. Leurs propriétés inhabituelles résultent d'interactions complexes entre les nombreux électrons associés aux atomes dans les alliages de métaux lourds tels que le plomb, bismuth, tellure et antimoine.
Sans pièces mobiles, les générateurs thermoélectriques sont silencieux et extrêmement fiables, nécessitant un minimum d'entretien. Cependant, les générateurs sont relativement inefficaces (généralement moins de 10 %) et les matériaux nécessaires à leur construction sont coûteux – des facteurs qui ont empêché leur utilisation généralisée et limité la thermoélectricité à des applications de niche telles que les engins spatiaux ou les réfrigérateurs à vin.
Dans les années récentes, cependant, le besoin d'une efficacité énergétique accrue et d'une production d'électricité sans carbone a suscité un regain d'intérêt pour la thermoélectricité. Avec des améliorations, les chercheurs pensent que les matériaux pourraient générer de l'électricité bon marché à partir de la chaleur autrement gaspillée produite par les moteurs et les fours d'usine.
« Si nous pouvions doubler leur efficacité, alors des modules thermoélectriques intégrés dans le système d'échappement d'un moteur automobile pourraient générer suffisamment de puissance pour remplacer l'alternateur, ce qui augmenterait la consommation d'essence de la voiture, " dit Snyder.
Le défi pour les scientifiques est de choisir des compositions d'alliages, tailles de cristaux et additifs, (également appelés dopants), ce qui donnerait un rendement thermoélectrique élevé. Avec un nombre exhaustif de combinaisons possibles au choix, les scientifiques utilisent des calculs théoriques pour guider leur recherche de matériaux prometteurs. L'extrême complexité des matériaux, cependant, oblige les théoriciens à faire diverses hypothèses qui ont chacune conduit à des approches différentes.
L'approche la plus courante est l'approximation « bande rigide », qui fournit un modèle relativement simple de la structure électronique d'un matériau, et l'approche plus complexe des "supercellules", qui donne une image détaillée de son arrangement atomique idéal. Certains scientifiques ont déclaré que l'approche de la bande rigide est trop simple et imprécise pour être utile.
L'équipe de Snyder a rapporté exactement le résultat inverse. Leurs calculs ont montré que l'approche de la bande rigide était en fait plus précise que la méthode des supercellules pour prédire les propriétés observées d'un thermoélectrique populaire - le tellurure de plomb - dopé avec une petite quantité de sodium, potassium ou thallium.
"Les approches Supercell sont précises pour des cas de dopants très spécifiques, mais ils ne tiennent pas compte des divers défauts présents dans les matériaux réels, " a déclaré Snyder. En utilisant le modèle de bande rigide plus simple, il ajouta, les scientifiques devraient être en mesure d'identifier plus rapidement de nouvelles compositions thermoélectriques prometteuses et plus efficaces.
