Développement d'un générateur thermoélectrique à base de matériaux oxydes

Development of oxide based thermoelectric device

• Auteur / Autrice : Sébastien Lemonnier
• Direction : Christophe Goupil, Jacques Guillaume Noudem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures physiques

Contacts métal-semiconducteur

Générateurs thermoélectriques

Thermoélectricité

Matériaux céramiques

Manganite

Oxydes

Mots clés libres

Effet Seebeck

Résumé

Les oxydes thermoélectriques (TE) Ca4Mn3O10 et CaMnO3 ont été synthétisés par voie solide et différentes conditions de synthèse ont été optimisées afin d’obtenir des composés de grande pureté et de grande densité. La substitution sur le site du Calcium par un élément de valence différente (Terre Rare) ainsi que la variation des conditions de mise en forme de ces céramiques ont permis de diminuer significativement la résistivité électrique, facteur limitant les performances. Un facteur de puissance de l’ordre de 0. 46 mW. K-2. M-1 a ainsi été obtenu sur le composé Ca0. 95Sm0. 05MnO3 mis en forme par pressage isostatique et fritté à 1450°C, une valeur particulièrement élevée pour cette famille de matériaux. Ce matériau a ensuite fait l’objet d’une intégration dans des dispositifs de conversion thermoélectrique, d’architectures conventionnelle et « unileg ». Parallèlement à ce travail, le développement d’un banc de caractérisations a permis d’évaluer les performances des différents modules réalisés. Des puissances en sortie d’environ 300 mW ont été atteintes pour des générateurs composés de 36 jambes et soumis à une différence de température de 400°C. Ces premiers résultats sur les générateurs à base de matériaux oxydes ont permis de mettre en évidence que les contacts métal-céramique dans ces systèmes sont particulièrement résistifs et limitants. Les performances qui en découlent sont logiquement affectées et leur amélioration passe par un travail d’optimisation des interfaces. Une étude approfondie basée sur la méthode TLM (Méthode des Lignes de Transmission) a permis d’aboutir à une amélioration substantielle des résistances de contact.

Thermoelectric (TE) oxides Ca4Mn3O10 and CaMnO3 have been synthesized by solid state reaction and their synthesis conditions have been optimized in order to obtain high purity and density. It has been found that the substitution of Ca by an element with a higher valency such as Rare Earth elements, and improved ceramics process lead to a strong decrease of the electrical resistivity, which is one of the key factor for the properties enhancement. The Ca0. 95Sm0. 05MnO3 compound, shaped by isostatic pressing and thereafter sintered at 1450oC, presents a power factor reaching 0. 46 mW. K-2. M-1 which is close to the best published values. Above-mentioned material has been integrated into thermoelectric modules with conventional and so called “unileg” architectures and the performances have been evaluated by a home-made equipment. Output powers of 300 mW have been reached for a 36-leg modules with a temperature difference of 400°C. These performances can be enhanced by the optimization of the metal contacts to ceramic oxides. An additional study, based on the TLM (Transmission Line Method) method, lead to a substantial improvement of the contacts.