L’effet thermoélectrique n’est pas nouveau, il a été découvert il y a près de 200 ans par Thomas J. Seebeck. Si deux métaux différents sont réunis, une tension électrique peut se développer dès lors qu’un métal est plus chaud que l’autre. Cet effet permet de convertir partiellement la chaleur résiduelle en énergie électrique.
La chaleur résiduelle est un sous-produit de presque tous les processus technologiques et naturels, comme dans les centrales électriques, tous les appareils électroménagers, ainsi que dans le corps humain. C’est l’une des plus grandes sources d’énergie sous-employées dans le monde – et elle est généralement complètement ignorée.
Petit effet
Malheureusement, aussi utile qu’il soit, cet effet est extrêmement limité dans le cas de métaux ordinaires. Ceci est dû au fait que les métaux ont non seulement une conductivité électrique élevée, mais également une conductivité thermique élevée, de sorte que les différences de température disparaissent immédiatement.
Les matériaux thermoélectriques doivent avoir une faible conductivité thermique malgré leur conductivité électrique élevée. Les dispositifs thermoélectriques en matériaux semi-conducteurs inorganiques comme le tellurure de bismuth sont déjà utilisés aujourd’hui dans certaines applications technologiques. Cependant, ces systèmes de matériaux sont coûteux et leur utilisation n’est rentable que dans certaines situations. Des matériaux organiques flexibles, non toxiques et non toxiques à base de nanostructures de carbone, par exemple, sont également étudiés pour être utilisés dans le corps humain.
Crayon HB et vernis co-polymère
Une équipe dirigée par le professeur Norbert Nickel du HZB a maintenant montré que l’effet peut être obtenu beaucoup plus simplement : à l’aide d’un crayon ordinaire de qualité HB, ils recouvrent une petite surface en crayon sur du papier photocopie ordinaire. Comme deuxième matériau, ils ont appliqué sur la surface une peinture de polymérisation transparente et conductrice (PEDOT: PSS).
Il s’avère que les traces de crayon sur le papier délivrent une tension comparable à celle d’autres nanocomposites beaucoup plus coûteux actuellement utilisés pour les éléments thermoélectriques flexibles. Et cette tension pourrait être décuplée en ajoutant du séléniure d’indium au graphite du crayon.
Une mauvaise conductivité de la chaleur
Les chercheurs ont étudié les films de revêtement en graphite et en copolymère à l’aide d’un microscope électronique à balayage et de méthodes spectroscopiques (diffusion Raman) à HZB. « Les résultats ont également été très surprenants pour nous« , explique Nickel. « Mais nous avons maintenant trouvé une raison pour expliquer pourquoi cela fonctionne si bien : le dépôt de crayon laissé sur le papier forme une surface caractérisée par des paillettes de graphite non ordonnées, du graphène et de l’argile. Alors que cela ne réduit que légèrement la conductivité électrique, la chaleur est transportée beaucoup moins efficacement.«
Composants flexibles imprimés directement sur du papier
Ces composants simples pourraient être utilisés à l’avenir pour imprimer des composants thermoélectriques sur du papier extrêmement bon marché, écologique et non toxique. Ces composants minuscules et flexibles pourraient également être utilisés directement sur le corps et utiliser la chaleur corporelle pour actionner de petits dispositifs ou capteurs.
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