Les Défis du CEA n°175 novembre 2012
Les Défis du CEA n°175 novembre 2012
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°175 de novembre 2012

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (200 x 297) mm

  • Nombre de pages : 24

  • Taille du fichier PDF : 2,0 Mo

  • Dans ce numéro : dompter les énergies nomades.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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grand angle dompter les énergies nomades• Conductivité thermique : grandeur physique présentant la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par unité de temps résultant du nombre de porteurs de charge (électrons ou trous) d’un matériau et de la vibration de ses atomes (phonons).• Conductivité électronique : grandeur physique relative aux nombre et à la mobilité des porteurs de charge (électrons, trous) dans un matériau. Une affaire de conductivité « Ces systèmes de récupération d’énergie ont trouvé un regain d’intérêt depuis les années 90 parce que les théoriciens ont démontré qu’il était possible de dépasser les performances des matériaux actuels en termes de rendement de conversion thermique/électrique » explique Frédéric Gaillard, chef de département au CEA-Liten. Dans la thermoélectricité, tout repose sur le différentiel entre la conductivité thermique• et la conductivité électronique• du matériau. Si la première doit être réduite, la seconde est nécessairement forte. La problématique consiste à découpler les phénomènes de transport électrique par les électrons, d’avec les phénomènes de transfert de chaleur, associés aux phonons. Or, il est très difficile de trouver des matériaux avec de telles propriétés. Dans des alliages semi-conducteurs silicium/siliciumgermanium adaptés aux moyennes et hautes températures (400 – 900 °C), les chercheurs ont réussi à introduire des objets nanométriques pour ralentir les phonons. Cette nanostructuration a permis d’augmenter les performances de 50 à 100%. Ces matériaux massifs, réalisés à partir d’un procédé de fabrication industriel, se présentent sous la forme de poudres compactées. Les composants thermoélectriques délivrent aujourd’hui des watts et sont davantage adaptés à des systèmes stationnaires. Les nanotechnologies à la rescousse Concernant les applications macroscopiques, le choix s’est porté sur la fabrication de matériaux à base de bismuth ou de tellure très performants pour les dispositifs fonctionnant à température ambiante. Les procédés utilisés ont permis d’obtenir, via un procédé industriel, des nanoparticules de BiTe3 aux composition, dimension et structure cristallographique parfaitement maîtrisées. Ce jalon technologique franchi a permis aux chercheurs d’intégrer un composant en couche mince dans un microsystème dès 2009. Depuis, les travaux portent essentiellement sur des matériaux abondants et non toxiques à base de silicium pour remplacer notamment le tellure qui est nocif. L’optimisation des coûts constitue également un axe de recherche. Ainsi, des techniques d’impression sont à l’étude car, à la différence de l’élaboration des couches minces « sous vide », ces procédés « humides » ne nécessitent pas d’équipements très onéreux. Les poudres imprimées sous la forme d’encre peuvent ainsi être utilisées sur des substrats flexibles ou structurés, en 2D (dans le plan) ou en 3D (dans des substrats perforés). Ce dernier format est par exemple très intéressant pour des capteurs autonomes de flux thermiques qui mesurent avec une précision inégalée des températures. « Maintenant que nous maîtrisons les processus pour fabriquer un composant complet, nous travaillons sur de nouveaux matériaux afin de remplacer le bismuth et le tellure qui sont assez polluants. Pour l’heure, nous jouons sur les compositions chimiques. C’est ça l’intérêt de ces matériaux, de pouvoir jouer avec eux pour les adapter à différentes applications ! » conclut Emmanuelle Rouvière, chef de laboratoire au CEA-Liten. Artechnique/CEA Prototype de lampe thermoélectrique. Du solaire en couches minces• Systèmes photovoltaïques : dispositifs absorbant les photons de la lumière du Soleil pour « exciter » les atomes de leurs matériaux dopés et ainsi générer un courant électrique. Cellules solaires sur substrat souple. CEA Depuis plusieurs années, des systèmes photovoltaïques• se déploient sur le toit des habitations pour produire une électricité intermittente. Mais qu’en estil de cette forme de récupération d’énergie à l’échelle miniature pour des applications liées à l’alimentation en énergie des équipements électroniques ? Là encore, l’innovation sur les matériaux est décisive. En effet, le silicium massif utilisé dans les absorbeurs traditionnels est trop fragile pour s’envisager sur des applications nomades dont les formes sont complexes. « Nous travaillons sur des techniques d’élaboration de couches minces. Avec des épaisseurs de quelques microns, nous pouvons les utiliser sur des substrats fins et flexibles. » Pour cela, les chercheurs ont recours à la famille des chalcopyrites avec des alliages de cuivre, indium, gallium et sélénium (CIGS) très performants. Toutefois, de nouvelles compositions voient le jour pour remplacer l’indium et le gallium, dont les ressources sont très limitées, par du zinc et de l’étain (alliage CZTS). L’objectif premier des travaux est de diminuer la quantité d’éléments actifs afin de réduire les coûts. Les perspectives sont intéressantes puisque les rendements théoriques se rapprochent de ceux du silicium massif tout en ayant la capacité d’employer des substrats souples. 20 Les défis du CEA Plus d’informations sur www.cea.fr
Recharger ses batteries à coup de pression C.Morel/CEA Un autre phénomène prometteur, étudié dans les laboratoires du CEA-Liten, est celui de la piézoélectricité. Il repose sur la propriété qu’ont certains matériaux de se polariser électriquement sous l’action d’une pression ou d’une dépression. La légère déformation du matériau génère alors une source de tension. À la clé, plusieurs applications de microsources d’énergie pour le secteur de l’industrie ou de la médecine. Mais, pour maîtriser durablement ce phénomène et envisager de produire un courant électrique, plusieurs challenges sont à relever. Il s’agit dans un premier temps de capter des fréquences suffisamment élevées pour produire des contraintes mécaniques. Les chercheurs investiguent actuellement le potentiel des battements du cœur pour venir alimenter des implants cardiaques… Le deuxième défi concerne le matériau. Si le plombest l’un des matériaux les plus performants, c’est aussi le plus polluant. Des innovations sont à réaliser pour le remplacer. Enfin, l’usure du matériau dans le temps, liée aux déformations, est un autre obstacle à lever. « Pour l’heure, nous pouvons utiliser le phénomène piézoélectrique pour faire des capteurs de pression mais pas encore pour générer de l’électricité. Alors nous menons un projet avec ST Microélectronics, celui de le coupler à de la thermomécanique pour obtenir un système de récupération d’énergie standard » indique Frédéric Gaillard. Maquette Enerfluide permettant l’étude de la récupération de l’énergie des gouttes de pluie, grâce à une membrane piézoélectrique. CEA-Liten Fondé en 2006, l’Institut Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles) est devenu l’un des principaux centres européens de recherche en la matière. Implanté sur le site CEA de Grenoble et à l’INES (Institut national de l’énergie solaire) dont il est membre fondateur, sa mission est de soutenir l’effort français de diversification énergétique et participer à l’amélioration de la compétitivité des entreprises. Il se positionne ainsi sur quatre axes de recherches prioritaires : le développement de l’énergie solaire et de la maîtrise de l’énergie, le développement d’une filière hydrogène et pile à combustible pour l’application transport, le développement des procédés de production d’énergie et de biocarburants à partir de la biomasse, les innovations technologiques dans le domaine des matériaux et des procédés. Deux de ses quatre départements consacrent une partie de leur activité aux énergies nomades : le département des technologies Nanomatériaux (DTNM) et le département de l’électricité et de l’hydrogène pour les transports (DEHT). Novembre 2012 N°175 21



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