L’épuisement continu des ressources énergétiques basées sur les combustibles fossiles nous conduit vers une crise énergétique croissante. Par conséquent, cela a déclenché une recherche de ressources alternatives durables. La conversion de l’énergie thermoélectrique – un processus de production d’électricité à partir de la chaleur résiduelle – a pris de l’ampleur en tant que prochaine technologie potentielle de récupération d’énergie. Des générateurs constitués de matériaux thermoélectriques sont utilisés pour récupérer l’énergie thermique via «l’effet Seebeck». La différence de température dans le matériau thermoélectrique crée un flux de porteurs de charge, générant de l’énergie électrique.
Pour une conversion efficace, un matériau thermoélectrique doit avoir un rendement de conversion élevé (ZT), qui nécessite un coefficient Seebeck élevé (S), une conductivité électronique élevée (σ) et une faible conductivité thermique (κ). Le matériau séléniure d’étain (SnSe) est connu pour présenter un ZT record sous sa forme monocristalline. Cependant, les performances se détériorent dans les polycristaux pratiques en raison d’un σ faible et d’un κ élevé.
Dans une étude récente publiée dans Sciences avancées, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur associé Takayoshi Katase de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) a réussi à améliorer le ZT du SnSe polycristallin en démontrant simultanément un σ élevé et un κ faible. L’équipe a réalisé cette percée remarquable en introduisant l’ion tellure (Te) dans la structure de SnSe.
Il y avait un hic, cependant. La solubilité des ions Te2- dans le site Se2- de SnSe est extrêmement faible à l’équilibre thermique en raison d’un décalage de taille entre les deux ions, ce qui limite considérablement la substitution d’ions. L’équipe a relevé ce défi en adoptant un processus de croissance hors équilibre en deux étapes, qui leur a permis d’augmenter la limite de concentration de Te2 x jusqu’à 0,4 dans les cristaux massifs de Sn(Se1-xTex).
« L’ajout d’un ion du même état de valence n’augmente généralement pas la concentration de porteurs dans les semi-conducteurs ioniques. Cependant, dans notre cas, la substitution d’ions Te2- au site Se2- dans SnSe a augmenté la concentration de porteurs de trois ordres de grandeur, conduisant à un σ élevé. De plus, la substitution des ions Te a considérablement réduit κ à moins d’un tiers de sa valeur à température ambiante », explique le Dr Katase.
Il y a eu deux stratégies principales pour atteindre le σ élevé et le κ faible dans les polycristaux de SnSe. L’un consiste à ajouter des ions avec un état de valence différent, tels que des ions alcalins, pour augmenter la concentration en porteurs. Un autre contrôle la ségrégation des impuretés pour la diffusion des phonons. Ainsi, de nombreuses complications sont impliquées dans la synthèse de SnSe polycristallin haute performance.
L’équipe a cependant montré que la substitution d’ions Te isovalents augmente σ et réduit κ, simultanément. Comment? L’équipe a effectué des calculs de premier principe pour élucider le mécanisme sous-jacent à l’amélioration de ZT. Les calculs ont montré que le grand ion Te dans SnSe formait des liaisons Sn-Te faibles. Cette liaison Sn-Te est facilement dissociée et une forte densité de lacunes de Sn se forme dans la structure, conduisant à une forte concentration de trous. De plus, les faibles liaisons Sn-Te réduisent la fréquence des phonons (fréquence de vibration du réseau) et améliorent la diffusion des phonons, ce qui entraîne un faible κ.
L’étude présente donc une nouvelle méthode d’ajout d’ions de grande taille au-delà de leurs limites d’équilibre, qui pourrait guider les futures études sur l’optimisation des propriétés électroniques et thermiques des polycristaux thermoélectriques de SnSe. « Nous pensons que nos découvertes ouvriraient la voie à des matériaux thermoélectriques pratiques et performants », déclare le Dr Katase.
Nous espérons certainement que sa vision n’est pas trop loin de se réaliser.
Xinyi He et al, Dopage des trous dégénérés et conductivité thermique du réseau ultra‐faible dans le SnSe polycristallin par substitution Te isovalente sans équilibre, Sciences avancées (2022). DOI : 10.1002/advs.202105958