Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité, ce qui les rend extrêmement attractifs pour la production d'énergie durable, d'autant plus que l'industrie peut gaspiller plus des deux tiers de son énergie sous forme de chaleur. Mais la production de masse d'énergie thermoélectrique est actuellement limitée par un faible rendement de conversion énergétique. Maintenant, cependant, les chercheurs Biswanath Dutta et Poulumi Dey du département de science et génie des matériaux de la TU Delft, ont non seulement été en mesure d'expliquer comment les nanostructures dans les matériaux thermoélectriques peuvent améliorer l'efficacité énergétique, mais aussi proposer une voie commercialement attractive pour fabriquer des matériaux thermoélectriques nano-structurés, augmenter les chances de production de masse d'énergie thermoélectrique. Leurs résultats ont été publiés dans Nano énergie .

Le point de départ des travaux de Dutta et Dey était les résultats expérimentaux fournis par leurs co-chercheurs en Corée du Sud qui travaillaient avec un matériau thermoélectrique bien connu, un composé dit NbCoSn demi-Heusler. "Il s'agit essentiellement d'un type spécifique de structure cristalline dans laquelle vous mettez certains éléments - dans ce cas, le niobium, cobalt et étain, " explique Dutta. " Et en jouant avec la quantité et la position de chacun des éléments, par exemple en mettant plus de niobium à la place de cobalt, vous pouvez voir comment cela affecte l'efficacité globale du matériau. "

Ce que les résultats de leurs collaborateurs sud-coréens ont montré, c'est qu'à une température spécifique, certains types de nano-structures se sont formées dans ce matériau. Dutta et Dey ont donc effectué des simulations théoriques basées sur ces observations :« Tout d'abord, nous avons simulé l'effet de l'ajout d'un ou de deux atomes de cobalt supplémentaires, et dans différentes positions, pour savoir si cela augmenterait l'efficacité ou non, " dit Dey. " Il s'est avéré que la position de ce cobalt supplémentaire a vraiment un rôle important sur l'ensemble des performances de ce matériau, ce qui était quelque chose que l'équipe faisant les expériences ne pouvait pas vraiment expliquer parce que c'était au-delà de la résolution de leurs mesures."

En outre, Dutta et Dey ont également pu démontrer un effet connu sous le nom de filtrage d'énergie :« Vous pouvez le considérer comme une sorte de barrière aux électrons en dessous d'une certaine énergie, qui à son tour améliore la conductivité électrique globale, " explique Dutta. " En filtrant les électrons de basse énergie et en laissant passer les électrons de haute énergie, il y a une augmentation de l'efficacité globale."

"C'est un effet de nanostructure, " dit Dey. " C'est la formation des nanostructures dans le reste du matériau, et l'interface entre eux, qui agit comme la barrière donc si vous n'avez pas ces nanostructures, vous n'aurez pas cet effet car il n'y a pas d'interface. Mais dès que ces nanostructures sont formées, vous obtenez ces interfaces qui bloquent les électrons de faible énergie mais laissent passer ceux à haute énergie, ce qui augmente l'efficacité énergétique globale. "

Finalement, les simulations de TU Delft ont suggéré deux raisons pour une efficacité énergétique accrue dans ce matériau thermoélectrique NbCoSn sur mesure :la présence d'atomes de cobalt supplémentaires dans des positions spécifiques appelées sites interstitiels au sein de la structure en réseau, et aussi l'effet de filtrage d'énergie.

De plus, la meilleure compréhension des raisons pour lesquelles ce matériau thermoélectrique nanostructuré est plus économe en énergie suggère une meilleure, façon plus applicable de produire de l'énergie thermoélectrique. "Actuellement, les matériaux thermoélectriques nanostructurés sont fabriqués par un processus long et rigoureux de broyage et de chauffage de structures préformées, " explique Dutta " qui est à la fois chronophage et énergivore, donc pas idéal pour la production de masse. » Plutôt que de suivre la voie conventionnelle, les équipes ont suggéré de partir d'un matériau « non structuré » ou amorphe :« L'avantage de partir d'un matériau amorphe est qu'il n'a pas de structure sous-jacente et que vous n'avez donc pas besoin de passer par ce long processus de broyage et de chauffage pendant C'est donc plus économe en énergie et donc beaucoup plus utile pour la production de masse d'énergie thermoélectrique. Bonne nouvelle pour les ingénieurs de ces industries travaillant sur la récupération de chaleur à haute température.