Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

 
Développement de nouveaux matériaux thermoélectriques

 

L’un de nos axes de recherche concerne la recherche et l’optimisation de nouvelles familles de matériaux thermoélectriques présentant des performances élevées, qui se démarquent des alliages de métaux utilisés à l’heure actuelle. Au cours des dernières années, nous avons ainsi identifié plusieurs familles de matériaux possédant un bon potentiel pour des applications, donc certaines sont décrites ci-dessous.

 

contacts : David Bérardan, Céline Roux-Byl, Nita Dragoe, Nghi Pham

 


 

La plus prometteuses des familles dont nous avons mis en évidence les propriétés est celle des oxychalcogénures de composé parent BiCuSeO. La structure de ces matériaux, qui avaient été étudiés auparavant pour des applications en optoélectronique, est la même que celle des supraconducteurs de la famille de LaFeAsO. Le composé parent BiCuSeO est un semi-conducteur à grand gap possédant une concentration de porteurs faible. Avec un dopage adéquat, il est possible d’allier un fort pouvoir thermoélectrique avec une résistivité électrique modérée. Cependant, les propriétés électriques restent alors très inférieures à celles des meilleurs matériaux thermoélectriques. Ce qui rend ces matériaux très intéressants est leur conductivité thermique qui est intrinsèquement très faible, beaucoup plus faible que dans la plupart des autres matériaux thermoélectriques. De ce fait, ces composés possèdent des facteurs de mérite thermoélectrique élevés à haute température, comme l’illustre la figure suivante. Ces valeurs sont à l’heure actuelle parmi les plus élevées jamais obtenues dans des matériaux massifs polycristallins de type p ne contenant ni plomb ni tellure, deux éléments que nous cherchons à éviter, dans la gamme de température 400-650°C. Par ailleurs, nous avons montré que ces matériaux peuvent être synthétisés par des procédés "simples", et qu'ils sont très stables sous atmosphère inerte à leur température potentielle d'utilisation.

BiCuSeO thermoelectric

Sélection de publications :

  • “Bi1-xSrxCuSeO oxyselenides as promising thermoelectric materials”, Applied Physics Letters 97, 092118 (2010)       (première publication mettant en evidence le potentiel de cette famille)
  • "A high thermoelectric figure of merit ZT > 1 in Ba heavily doped BiCuSeO oxyselenides", Energy & Environmental Science 5, 8543 (2012)         (première publication avec ZT > 1 dans cette famille)
  • "Texturation boosts the thermoelectric performance of BiCuSeO oxyselenides", Energy & Environmental Science 6, 2916 (2013)         (influence bénéfique de la texturation, ZT = 1.4)
  • "Realization of n-type and enhanced thermoelectric performance of p-type BiCuSeO by controlled iron incorporation", Journal of Materials Chemistry A 6, 13340 (2018)     (ZT = 1.5 en type p, obtention d'un type n)

 


 

Parmi les autres familles de matériaux dont les propriétés ont été mises en évidence dans notre groupe au cours des dernières années, on peut mentionner :

 

Les chalcogénures I-V-VI de composé parent AgBiSe2. Bien que les oxychalcogénures I-V-VI aient été étudiés depuis longtemps pour des applications en thermoélectricité, permettant d’obtenir les alliages de type TAGS et LAST, ceux basés sur AgBiSe2 n’avaient été que peu étudiés. Contrairement à la plupart des autres matériaux de cette famille qui sont de type p, les I-V-VI de type AgBiSe2 peuvent être de type p ou n suivant le dopage, les meilleures propriétés étant observées dans les matériaux de type n. Comme dans le cas de BiCuSeO, il s’agit de matériaux possédant des propriétés électriques assez médiocres en comparaison à celles des meilleurs matériaux thermoélectriques, mais qui sont compensées par une conductivité thermique intrinsèquement très faible, permettant d’obtenir des performances prometteuses dans la gamme de température 450-550°C (figure ci-dessous, gauche). Par ailleurs, ces matériaux sont également intéressant du point de vue de la chimie des matériaux, parce qu’ils présent des transitions structurales qu’il est possible de modifier par des substitutions et qui influencent les propriétés de transport électrique et thermique de manière importante (figure ci-dessous, droite).

 

AgBiSe2 thermoelectric

Sélection de publications :

  • High thermoelectric properties of n-type AgBiSe2”, Journal of the American Chemical Society 135, 4914 (2013)       (première publication mettant en evidence le potentiel de cette famille)

 

BaCu2Se2, qui est lié d’un point de vue « chimique » à BiCuSeO. En effet, comme il a été dit plus haut, la structure cristalline de BiCuSeO est la même que celle de LaFeAsO, dite structure « 1111 » qui est constitué d’empilements de couches La2O2 et Fe2As2. Dans le cas de LaFeAsO, il est possible de remplacer La2O2 par un cation 2+, par exemple Ba2+, pour former la famille dite « 122 » dans laquelle la structure d’empilements en couches est maintenue. Dans le cas de BiCuSeO, il est donc possible de former BaCu2Se2 par un raisonnement similaire. Cependant, la structure en couche n’est pas maintenue, et le composé cristallise dans une structure nettement plus complexe en réseau de canaux (figure ci-dessous, gauche). BaCu2Se2 est un semiconducteur de type p. Comme BiCuSeO et AgBiSe2, des propriétés électriques médiocres sont compensées par une conductivité thermique très faible, conduisant à des performances très prometteuses. (figure ci-dessous, droite).

 

BaCu2Se2 thermoelectric

Sélection de publications :

  • “BaCu2Se2 based compounds as promising thermoelectric materials”, Dalton Transactions 44, 2285 (2015)       (première publication mettant en evidence le potentiel de cette famille)