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Des nanofils de silicium générateurs de thermoélectricité

Industrie et  Technologies
Des chercheurs américains mettent au point des nanofils de silicium "rugueux" au pouvoir de conversion de la chaleur en électricité étonnants. Même s'il reste à améliorer et industrialiser le process, les premiers résultats sont encourageants.



Un groupe de chercheurs de l'Environmental Energy Technologies Division (EETD) du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l'Université de Berkeley en Californie, emmené par Arun Majumdar et Peidong Yang, vient de publier dans la revue américaine Nature, un article sur l'amélioration des performances thermoélectriques des nanofils de silicium.

Ils y présentent une méthode d'obtention des nanofils de silicium sans apport d'électricité extérieure dite "electroless etching". Il s'agit d'un phénomène électrochimique d'oxydoréduction spontanée connu où la croissance des nanofils est obtenue grâce au déplacement galvanique des ions silicium du support à travers une solution aqueuse d'ions d'argent. Contrairement aux autres méthodes connues, on obtient ainsi une multitude de nanofils de silicium perpendiculairement au support, qui présentent la particularité d'être, non pas lisses, mais très rugueux. Cette rugosité serait à l'origine de la surprenante efficacité thermoélectrique de ces nanofils.

« La rugosité de leur surface joue assurément un rôle important dans la réduction d'un facteur 100 de la conductivité thermique, même si nous ne sommes pas encore capables de totalement en comprendre les raisons », constate Arun Majumdar.




A gauche, une coupe à l'aide d'un microscope à balayage électronique d'un réseau de nanofils de silicium rugueux avec en médaillon un "wafer" typique avec ces fils. A droite, une coupe à l'aide d'un microscope à balayage électronique de l'un de ces fils dont la rugosité de surface peut être clairement vue. Le médaillon montre que le fil est mono-cristallin.


Reste que le défi pour les chercheurs est de créer des matériaux thermoélectriques suffisamment efficaces pour être industriellement utilisables. L'objectif étant d'arriver à un "facteur de mérite de conversion thermoélectrique", ou ZT, supérieur à 1. Ce facteur combine les conductivités thermique et électrique d'un matériau avec ses capacités à générer de l'électricité à partir de la chaleur. Mais l'interdépendance de ces paramètres rend très difficile l'atteinte de cet objectif. Depuis quelques années, des valeurs de ZT de 1 ou plus ont pu être atteintes par des films fins et des nanostructures réalisés en alliage de tellurure de bismuth semi-conducteur. Mais ces matériaux sont chers, difficiles à mettre en œuvre et se prêtent mal à de la conversion d'énergie à grande échelle. Ce qui n'est pas le cas du silicium.

« Le silicium est un piètre matériau thermoélectrique à température ambiante, mais par la réduction substantielle de la conductivité thermique de nos nanofils de silicium sans réduction significative de leur conductivité électrique, nous sommes déjà arrivés à un ZT de 0,6 dans des fils de 50 nanomètres de diamètre », explique Peidong Yang. « En réduisant le diamètre de ces fils tout en optimisant le contrôle de leur rugosité, nous devrions pouvoir obtenir rapidement des valeurs de ZT supérieures à 1 à température ambiante ».

Un enjeu économique énorme

Quand on sait que la production des 10 trillions de watts, correspondant à la puissance électrique de la planète, conduit à la perte de 15 trillions de watts dans les centrales par rejet de chaleur dans l'environnement, on comprend mieux l'intérêt d'en récupérer même une petite part et l'impact énorme que cela pourrait avoir sur les enjeux énergétiques mondiaux.

« Des matériaux thermoélectriques, tels ces nanofils de silicium, pourraient potentiellement être utilisés dans ces centrales pour capturer une grande part de la chaleur actuellement rejetée et la transformer en électricité. Il en résulterait une énorme économie de combustible et éviterait de massifs rejets de CO2. Les mêmes matériaux pourraient aussi être utilisés comme refroidisseurs ou systèmes de conditionnement d'air miniatures, et ainsi être placés de manière plus efficace », explique Arun Majumdar.

La capacité de faire croître, à la surface d'un "wafer" trempé dans une solution aqueuse, une forêt de nanofils alignées verticalement et de tailles similaires, ouvre la porte à la création de modules thermoélectriques qui pourraient être utilisés dans une grande variété de situations. Par exemple, de tels modules pourraient convertir la chaleur de l'échappement des automobiles en alimentation électrique auxiliaire pour le véhicule, et lui fournir l'électricité pour sa radio, son climatiseur, ses vitres électriques, etc.

« On peut drainer de l'énergie électrique d'à peu près n'importe quelle situation dans laquelle la chaleur est actuellement gaspillée », estime Arun Majumdar. « Par exemple, s'il fait froid dehors et que vous portez une veste faite d'un tissu contenant des modules thermoélectriques, vous pourrez recharger vos appareils électroniques mobiles grâce la chaleur de votre corps ».

Il reste maintenant aux chercheurs à se concentrer sur l'étude de ce phénomène pour mieux le comprendre et l'optimiser. Ils devront également se concentrer sur la conception et la fabrication de modules thermoélectriques basés sur des réseaux de nanofils de silicium. Notons toutefois que le département transfert de technologies des laboratoires de l'Université de Berkeley recherche déjà des partenaires industriels pour développer et commercialiser cette technologie.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus :  http://www.lbl.gov




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