Matériaux à base de nanocristaux semi-conducteurs de chalcopyrite pour la conversion thermoélectrique

Résumé : Cette thèse présente l’étude de nanocristaux semi-conducteurs pour leur intégration dans des dispositifs de conversion thermoélectrique. Ce phénomène permet de générer un courant à partir d’une différence de température entre deux faces, reliées par deux pieds conducteurs de charges. Les matériaux les plus efficaces à température ambiante sont basés sur le tellurure de bismuth Bi2Te3, qui est toxique et coûteux. Une étude théorique et bibliographique, portant sur les grandeurs caractéristiques de la conversion thermoélectrique, est réalisée. Elle permet de déterminer les matériaux d’intérêt en fonction de leur coût et de leur efficacité, que l’on peut optimiser à travers différents paramètres d’influence. La chalcopyrite, CuFeS2, présente des propriétés intéressantes en thermoélectricité, et offre une alternative intéressante aux matériaux classiques, car composée d’éléments abondants et non-toxiques. La synthèse par voie chimique choisie permet de contrôler la composition du matériau, et d’obtenir des nanocristaux de taille contrôlée entre 30 et 50 nm, pour diffuser les phonons dans le matériau et diminuer sa conductivité thermique. La thèse s’oriente autour de l’étude de ces nanocristaux semi-conducteurs de CuFeS2, organisée en deux parties principales.La première partie décrit la synthèse par voie chimique des nanocristaux et leur étude structurale. Deux méthodes de synthèse sont optimisées et permettent de contrôler finement la stœchiométrie du matériau, et d’accéder à des cristaux de différentes tailles et morphologies. Une étude complète de la composition des nanocristaux est réalisée par XPS, EDX et thermogravimétrie. L’étude du matériau par diffraction des rayons X met en évidence l’influence de la composition chimique des nanocristaux, et des conditions de température et de pression sur la phase cristalline du matériau. Une transition de phase de la wurtzite vers la chalcopyrite est décrite.Dans la seconde partie sont étudiées les propriétés thermoélectriques des nanocristaux synthétisés. Leur mise en forme en pieds thermoélectriques monolithiques est décrite, ainsi que l’optimisation de leurs propriétés thermoélectriques à travers trois stratégies. Le matériau obtenu est un conducteur de type n, qui permet la conduction des électrons. Sa conductivité thermique est réduite par nanostructuration. La première stratégie consiste à faire varier la composition des nanocristaux, et plus particulièrement le rapport entre charges cationiques et anioniques, pour modifier le taux de dopage du matériau, et ainsi modifier sa conductivité électrique et son coefficient Seebeck. La seconde voie d’amélioration consiste à remplacer les ligands isolants présents après la synthèse des nanocristaux par des ligands courts et conducteurs, pour augmenter la conductivité électrique du matériau. Enfin, des nanoparticules métalliques d’argent, d’étain et de cuivre sont introduites en mélange avec les nanocristaux afin d’augmenter la conductivité électrique du matériau nanocomposite ainsi créé.Cette thèse apporte des éléments de compréhension entre la structure et la composition de matériaux ternaires et leurs propriétés thermoélectriques, et permet d’envisager une amélioration de leurs performances. Les matériaux optimisés présentent des efficacités comparables aux résultats de la littérature pour cette famille de matériaux, notamment autour de la température ambiante. A travers une combinaison efficace des facteurs d’influence étudiés, ces efficacités pourront être dépassées lors de futurs travaux, et le matériau intégré à un dispositif de conversion thermoélectrique couplé à une cellule photovoltaïque, pour la conversion de l’énergie solaire par les deux phénomènes.
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Thèse
Chimie inorganique. Université Grenoble Alpes, 2017. Français. 〈NNT : 2017GREAV002〉
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Soumis le : mardi 27 juin 2017 - 08:55:09
Dernière modification le : lundi 4 décembre 2017 - 18:28:05

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Louis Vaure. Matériaux à base de nanocristaux semi-conducteurs de chalcopyrite pour la conversion thermoélectrique. Chimie inorganique. Université Grenoble Alpes, 2017. Français. 〈NNT : 2017GREAV002〉. 〈tel-01547658〉

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