Thermoélectricité : des principes aux applications

Abstract

On sait que l'energie electrique peut-etre produite directement a partir d'energie mecanique (dynamos) ou, indirectement, a partir d'energie thermique comme dans les centrales electriques, via le passage oblige par l'energie mecanique (turbines). La thermoelectricite, dont nous parlons ici, concerne la conversion directe de la chaleur en electricite, grâce a l'utilisation de materiaux appropries. Elle presente en outre, l'interet de concevoir des refrigerateurs. La fin des annees 1990 a ete marquee par un regain d'interet pour la conversion d'energie par effets thermoelectriques. Il existe trois effets thermoelectriques qui resultent du couplage entre les phenomenes de conduction electrique et thermique : les effets Seebeck, Peltier et Thomson. Ils furent decouverts dans la premiere partie du XIX e siecle, mais ce n'est qu'a partir des annees 1950 que ces effets ont ete exploites pour produire du froid ou generer de l'electricite grâce au developpement des semi-conducteurs et aux travaux de l'ecole de Leningrad sous la direction de Ioffe  IOFFE (A.) - Semiconductors, Thermoelements and Thermoelectric Cooling. . Les convertisseurs d'energie bases sur la technologie thermoelectrique presentent de nombreux avantages tels que l'absence d'organes mobiles et de fluide, la simplicite de mise en œuvre, une grande fiabilite et l'avantage d'etre « propres » pour l'environnement. Les refrigerateurs et les generateurs thermoelectriques sont utilises dans des applications ou leurs avantages compensent leur cout eleve et leur performance relativement faible. Ainsi, la refrigeration par effet Peltier connait des debouches dans les refrigerateurs portatifs a usage domestique ou medical, dans la climatisation d'air (automobile...) et dans le refroidissement de composants pour l'opto-electronique (detecteurs infrarouges...). Des generateurs thermoelectriques ont ete developpes avec succes depuis 1962 pour alimenter sur de longues periodes (plus de 22 ans pour certaines missions) les sondes spatiales de la NASA (Voyager I et II , Galileo, Cassini...). Dans le contexte actuel des besoins en nouvelles sources d'energie, les generateurs thermoelectriques pourraient jouer un role croissant dans la production d'electricite a partir de sources de chaleur perdue (valorisation des effluents thermiques des pots d'echappement des voitures par exemple). Cet article se propose de faire le point sur la thematique thermoelectrique. La premiere partie sera consacree a des rappels sur les phenomenes de conduction electrique et thermique dans les solides. Les effets thermoelectriques seront ensuite presentes en partant de leur manifestation experimentale. Une interpretation de ces effets sera ensuite proposee a partir de l'approche macroscopique, basee sur la thermodynamique irreversible, et microscopique, sur la base d'arguments intuitifs. Les bases de la conversion d'energie a l'etat solide par effets thermoelectriques seront discutees dans la troisieme partie ou nous introduirons le facteur de merite adimensionnel qui permet de jauger la qualite des materiaux pour la conversion d'energie. Enfin, la derniere partie de cet article sera consacree aux materiaux conventionnels et aux nouvelles orientations qui ont ete engagees recemment.