Un nouveau dispositif thermoélectrique organique est capable de récupérer de l'énergie à température ambiante
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Des chercheurs japonais ont mis au point un nouveau dispositif thermoélectrique organique capable de capter l’énergie à température ambiante. Bien que les dispositifs thermoélectriques aient aujourd’hui de nombreuses applications, il existe encore des obstacles à leur pleine utilisation.
En combinant les capacités uniques des matériaux organiques, l’équipe a réussi à développer un cadre pour la production d’énergie thermoélectrique à température ambiante sans aucun gradient de température. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications .
Les dispositifs thermoélectriques, ou générateurs thermoélectriques, sont une série de matériaux générateurs d'énergie qui peuvent convertir la chaleur en électricité tant qu'il existe un gradient de température, c'est-à-dire qu'un côté du dispositif est chaud et l'autre côté est froid. Ces dispositifs ont fait l'objet d'une attention particulière en matière de recherche et de développement en raison de leur utilité potentielle dans la récupération de la chaleur résiduelle provenant d'autres méthodes de production d'énergie.
L'utilisation la plus connue des générateurs thermoélectriques est peut-être celle des sondes spatiales telles que le rover Curiosity ou la sonde Voyager. Ces machines sont alimentées par des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes, où la chaleur générée par les isotopes radioactifs fournit le gradient de température nécessaire aux dispositifs thermoélectriques pour alimenter leurs instruments.
Cependant, en raison de problèmes tels que le coût de production élevé, l'utilisation de matières dangereuses, la faible efficacité énergétique et la nécessité de températures relativement élevées, les dispositifs thermoélectriques restent sous-utilisés aujourd'hui.
« Nous cherchions des moyens de fabriquer un dispositif thermoélectrique capable de capter l’énergie de la température ambiante. Notre laboratoire se concentre sur l’utilité et l’application des composés organiques, et de nombreux composés organiques ont des propriétés uniques qui leur permettent de transférer facilement de l’énergie entre eux », explique le professeur Chihaya Adachi du Centre de recherche en photonique et électronique organiques (OPERA) de l’université de Kyushu, qui a dirigé l’étude. « Les OLED ou cellules solaires organiques sont un bon exemple de la puissance des composés organiques. »
La clé était de trouver des composés qui fonctionnent bien comme interfaces de transfert de charge, c'est-à-dire qui peuvent facilement transférer des électrons entre eux. Après avoir testé divers matériaux, l'équipe a trouvé deux composés viables : la phtalocyanine de cuivre (CuPc) et l'hexadécafluoro phtalocyanine de cuivre (F 16 CuPc).
« Pour améliorer les propriétés thermoélectriques de cette nouvelle interface, nous avons également incorporé des fullerènes et du BCP », poursuit Adachi. « Ces composés sont connus pour être de bons facilitateurs du transport d'électrons. L'ajout de ces composés a considérablement amélioré la puissance du dispositif. Au final, nous avons obtenu un dispositif optimisé avec une couche de 180 nm de CuPc, 320 nm de F 16 CuPc, 20 nm de fullerène et 20 nm de BCP. »
Le dispositif optimisé présentait une tension en circuit ouvert de 384 mV, une densité de courant de court-circuit de 1,1 μA/cm 2 et une puissance de sortie maximale de 94 nW/cm 2 . De plus, tous ces résultats ont été obtenus à température ambiante sans l'utilisation d'un gradient de température.
« Des progrès considérables ont été réalisés dans le développement des dispositifs thermoélectriques, et notre nouveau dispositif organique proposé contribuera certainement à faire avancer les choses », conclut Adachi. « Nous aimerions continuer à travailler sur ce nouveau dispositif et voir si nous pouvons l’optimiser davantage avec des matériaux différents. Nous pouvons même probablement atteindre une densité de courant plus élevée si nous augmentons la surface du dispositif, ce qui est inhabituel même pour les matériaux organiques. Cela montre simplement que les matériaux organiques ont un potentiel incroyable. »