Semi-metallic polymers for thermoelectric applications

par Solène Perrot

Thèse de doctorat en Polymères

Sous la direction de Guillaume Fleury et de Georges Hadziioannou.

Soutenue le 19-02-2021

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques , en partenariat avec Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux) (laboratoire) .

Le président du jury était Aline Rougier.

Le jury était composé de Guillaume Fleury, Georges Hadziioannou, Aline Rougier, Sylvie Hébert, Nadjib Semmar, Xavier Crispin.

Les rapporteurs étaient Sylvie Hébert, Nadjib Semmar.

  • Titre traduit

    Polymères semi-métalliques pour des applications en thermoélectricité


  • Résumé

    Les matériaux thermoélectriques (TE) ont le potentiel de convertir de grandes quantités de chaleur directement en électricité, et par conséquent de réduire la dépendance aux combustibles fossiles. En thermoélectricité, le concept d'un verre de phonons/cristal électronique est souvent utilisé pour décrire un matériau thermoélectrique idéal. Selon ce concept, un bon matériau TE devrait inhiber la conduction de phonons (ayant ainsi une faible conductivité thermique) tout en assurant efficacement une bonne conduction des porteurs de charges (conductivité électrique importante). Afin de quantifier l'efficacité des systèmes TE, la figure de mérite, ZT, est utilisée comme mesure de performance. Récemment, les polymères conducteurs ont gagné de l'élan dans la communauté TE pour des applications à température ambiante. Leur grand avantage est une conductivité thermique intrinsèquement faible à température ambiante (0.2-0.6 W.m-1K-1) qui est complétée par leur facilité de traitement et leur faible coût. Les films minces de dérivés de poly (3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) dopés avec des molécules de p-toluènesulfonate (Tos) peuvent présenter un ZT aussi élevé que 0,25 à température ambiante, soulignant ainsi le potentiel élevé de tels systèmes pour les applications futures. Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés sur la compréhension des propriétés des films minces de PEDOT:Tos en jouant sur la méthode de polymérisation. Nous avons démontré que la conductivité électrique peut être améliorée en ajoutant des additifs dans la formulation du matériau. De plus, la concentration en p-toluènesulfonate est un paramètre permettant d’influencer la conductivité électrique sans modifier la valeur du coefficient Seebeck. Finalement, l’hybridation des précurseurs de PEDOT:Tos avec des copolymères à blocs a permis de concevoir des structures de PEDOT:Tos à l’échelle nanométrique.


  • Résumé

    Thermoelectric (TE) materials have the potential to convert vast amounts of waste heat directly into electricity, therefore reducing the dependence on fossil fuel. In thermoelectrics, the concept of a phonon glass/electron crystal is often used to describe an ideal thermoelectric material. According to this concept, a good TE material should inhibit the conduction of phonons (thus having a low thermal conductivity) while efficiently conducting electronic charge carriers (high electrical conductivity). In order to quantify the efficiency of TE systems, the figure of merit, ZT, is used as a measure of performance. Recently, conducting polymers have gained momentum in the TE community for applications at room temperature. Their great advantage is an intrinsically low thermal conductivity at room temperature (0.2-0.6 W.m-1K-1) that is complemented by their easy processability and their low cost. Thin films of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) derivatives doped with p-toluenesulfonate (Tos) molecules can exhibit a ZT as high as 0.25 at room temperature underlining the high potential of such systems for future applications. In this thesis, we focused on the understanding of PEDOT:Tos thin films properties by playing on the polymerization method. We demonstrated that the electrical conductivity can be improved by adding additives to the formulation of PEDOT:Tos materials. Moreover, the concentration of p-toluenesulfonate is an important parameter to tune the electrical conductivity without changing the Seebeck coefficient. Finally, the hybridization of PEDOT:Tos precursors with block copolymers allows us to design PEDOT:Tos nanostructures.


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