Matériaux polymères/silicium hybrides pour des applications thermoélectriques

Hybrid polymer/silicon materials for thermoelectric applications

• Auteur / Autrice : Geoffrey Prunet
• Direction : Éric Cloutet, Georges Hadziioannou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 08/11/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Cloutet, Georges Hadziioannou, Sylvie Hebert, Christian Müller, Isabelle Séguy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Hebert, Christian Müller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs thermoélectriques

Thermoélectricité

Mots clés libres

Thermoélectricité

Polymère

Silicium

Hybride

Générateur

Thermoelectricity

Polymer

Silicon

Hybrid

Generator

Résumé

De nos jours, l’Homme cherche principalement à gérer les énergies et leurs utilisations dans une perspective de développement durable. Parmi les différentes énergies renouvelables, la thermoélectricité semble être une solution de choix pour la conversion de la chaleur en électricité, améliorant ainsi les rendements thermiques. Les matériaux thermoélectriques pour les applications à température ambiante sont dominés par les matériaux à base de tellurure de bismuth (Bi2Te3) qui offrent la meilleure efficacité. Cependant, leur coût et leur toxicité empêchent leur développement à grande échelle. Ces dernières années, bien que possédant des caractéristiques thermoélectriques plus faibles que Bi2Te3, les matériaux polymères ont été envisagés comme une alternative prometteuse. L'objectif de cette thèse était donc de développer des matériaux polymères et hybrides (i.e. en combinaison avec des inorganiques) thermoélectriques performants dans le but de réaliser un générateur thermoélectrique efficace. Nous avons choisi d'étudier le PEDOT, le P3HT et le PCDTBT comme polymères, et le Silicium comme matériau inorganique. Plusieurs voies d'optimisation ont ainsi été explorées, soit en ajustant le niveau de dopage, soit en adaptant la surface des matériaux inorganiques et les interfaces. Des générateurs thermoélectriques hybrides (GTEs) ont été développés pour des applications proches de la température ambiante. Le couplage entre un matériau polymère et le silicium a notamment permis d’obtenir une amélioration significative des performances et d’atteindre une valeur record par rapport à l'état de l'art du domaine.

Nowadays, human beings seek mainly to manage energy and their uses toward sustainable development. Among the various renewable energies, thermoelectricity is the solution for the conversion of heat losses into electricity, and therefore the improvement of thermal efficiency. Thermoelectric materials for room-temperature applications are dominated by bismuth telluride (Bi2Te3) based materials offering higher efficiencies. Nevertheless, their cost and toxicity prevent large-scale applications. In recent years, polymer materials have been considered as alternatives for Bi2Te3, although their thermoelectric properties are significantly lower. The aim of this thesis was therefore to develop an efficient thermoelectric polymer, in combination with an inorganic material in order to obtain an efficient thermoelectric generator. PEDOT, P3HT, and PCDTBT were chosen as p-type polymers and silicon substrates as semi-conducting inorganic materials due to their high importance and performance in their respective fields. Several optimization routes have been investigated, either by fine-tuning the doping level parameters or by tailoring the surface of the inorganic materials. Hybrid thermoelectric generators (TEGs) were developed for near room temperature application. The coupling with polymer material achieved to obtain an enhancement of device performances resulting in record value.