Semi-conducteurs organiques qui pourraient aider à produire de l’électricité à partir de la chaleur résiduelle industrielle et résidentielle

Le bon nombre d'anneaux pour exploiter la chaleur résiduelle

Une équipe dirigée par KAUST a développé des semi-conducteurs organiques qui pourraient aider à générer de l’électricité à partir de la chaleur résiduelle libérée par les processus industriels et les maisons. Crédits: Morgan Bennett Smith

Les matériaux organiques électroniques promettent de soutenir les sources d’énergie alternatives et vertes pour répondre à la demande énergétique mondiale croissante et aux réglementations environnementales strictes. Une équipe dirigée par KAUST a maintenant développé des semi-conducteurs organiques de transport d’électrons, dits de type n, qui pourraient aider à générer de l’électricité à partir de la chaleur résiduelle libérée par les processus industriels et les maisons.

Les générateurs thermoélectriques capables de convertir les changements de température ou les gradients en électricité sont parfaitement adaptés pour exploiter la chaleur perdue. Ces appareils facilement évolutifs sont écologiques et ne comportent aucune pièce mobile, ce qui les rend résistants à l’usure. Leur efficacité dans la conversion d’énergie repose sur la minimisation de la conductivité thermique de leurs composants tout en maximisant leur conductivité électrique et leur coefficient Seebeck, une mesure directe de leur capacité à produire un courant thermoélectrique.

Au cœur des générateurs thermoélectriques se trouvent deux matériaux électroniquement différents, un semi-conducteur de type n et un semi-conducteur de transport de trous (ou de type p), qui sont joints à leurs extrémités pour former un circuit. Par conséquent, l’efficacité de conversion des générateurs dépend des deux types de semi-conducteurs offrant des performances optimales.

Les matériaux thermoélectriques organiques sont récemment apparus comme plus faciles à traiter et moins toxiques que leurs homologues inorganiques conventionnels moins chers et plus abondants. Ces nouveaux matériaux présentent également une conductivité thermique plus faible, mais leurs performances thermoélectriques restent insuffisantes. En règle générale, les semi-conducteurs organiques de type n dopés ne sont pas stables dans les conditions ambiantes et affichent des conductivités électriques inférieures à leurs équivalents de type p, qui ont été largement étudiés.

«Un défi important est de trouver des matériaux organiques de type n avec des performances comparables aux meilleurs semi-conducteurs de type p», déclare Hu Chen, chercheur scientifique, qui a dirigé l’étude au sein du groupe de recherche d’Iain McCulloch.

L’équipe KAUST a conçu une approche systématique pour synthétiser des semi-conducteurs organiques de type n dopés stables à l’air avec des performances thermoélectriques élevées. Les monomères comprenaient des amides cycliques, ou lactames, fusionnés avec des noyaux de naphtalène et d’anthracène, générant des polymères conjugués rigides par une polymérisation catalysée par un acide sans métal non toxique. «Il n’y a pas de liberté de rotation le long de la colonne vertébrale, ce qui réduit le désordre énergétique et améliore par la suite la conductivité électrique», dit McCulloch.

Dans cette conception, les groupes lactame attracteurs d’électrons ont produit un squelette fortement déficient en électrons, stabilisant le polymère dans les conditions ambiantes. De plus, des noyaux plus petits ont conduit à une plus grande affinité électronique et, par conséquent, à de meilleures performances thermoélectriques dans les polymères, «ce qui n’avait pas été démontré de manière aussi frappante avant ce travail», explique McCulloch. Chen explique que les noyaux plus gros ont une densité plus faible de groupes attracteurs d’électrons, ce qui diminue cumulativement l’affinité électronique.

Ces polymères stables à l’air ont un bon potentiel commercial. L’équipe envisage maintenant de développer des processus évolutifs pour permettre l’intégration de ces matériaux dans des générateurs thermoélectriques.


Transformer la chaleur en énergie avec un matériau thermoélectrique organique efficace


Plus d’information:
Hu Chen et coll. Optimisation de la taille des anneaux d’acène dans les polymères de lactame fondus permettant des performances thermoélectriques organiques de type n élevées, Journal de l’American Chemical Society (2020). DOI: 10.1021 / jacs.0c10365

Fourni par King Abdullah University of Science and Technology

Citation: Semi-conducteurs organiques qui pourraient aider à générer de l’électricité à partir de la chaleur résiduelle industrielle et résidentielle (2021, 17 mars) récupéré le 13 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-03-semiconductors-electricity-industrial-residential.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.