L’outil de sélection des solvants améliore les dispositifs thermoélectriques

Diego Rosas Villalva | Derya Baran

En choisissant le meilleur produit chimique pour dissoudre les composants des polymères, les chercheurs peuvent tirer davantage d’électricité de la chaleur résiduelle.

Les dispositifs thermoélectriques organiques (OTE) convertissent la chaleur résiduelle en énergie électrique utile, mais ils ne sont pas encore suffisamment efficaces pour être utilisés dans la pratique. Les chercheurs de KAUST ont désormais mis au point un outil qui permet de déterminer le meilleur solvant à utiliser pour traiter les films polymères des dispositifs, améliorant ainsi considérablement leur rendement énergétique[1].

« La chaleur résiduelle est présente partout : dans les processus industriels, les moteurs de voiture, les climatiseurs et même dans votre tasse de café. Il serait donc utile de récupérer une partie de cette énergie pour la transformer en électricité », déclare Derya Baran, qui a dirigé l’équipe. « Nous voulons utiliser cette énergie pour améliorer l’autonomie énergétique des appareils électroniques, par exemple pour recharger une batterie sans la brancher sur une prise murale. »

Les appareils thermoélectriques conventionnels reposent sur des semi-conducteurs inorganiques, tels que le tellurure de bismuth, mais leur coût élevé les limite à des applications de niche. En revanche, les OTE reposent sur un film polymère qui peut être facilement traité à partir d’une solution pour fabriquer des appareils potentiellement moins coûteux. Ces polymères forment des régions cristallines dans le film et les appareils atteignent leurs meilleures performances lorsque ces régions s’alignent bord à bord, car la charge peut alors se déplacer plus facilement de l’extrémité chaude à l’extrémité froide de l’appareil pour générer un courant.

Mais le contrôle de l’orientation des polymères nécessitait jusqu’à présent des techniques coûteuses ou gourmandes en énergie. Pour compliquer encore davantage la tâche, l’appareil nécessite également des additifs appelés dopants qui ajoutent des charges électriques essentielles au polymère, mais qui affectent également sa cristallinité.

Cela a conduit l’équipe de KAUST à sélectionner un solvant qui aide les polymères à s’aligner pendant la formation du film.

Pour éviter de nombreuses expériences fastidieuses avec différents solvants, les chercheurs ont créé un modèle permettant de prédire quel solvant produirait le meilleur film à partir d’un polymère particulier. Le modèle comprend une série de paramètres qui décrivent la capacité d’un solvant à dissoudre les polymères et les dopants, ainsi que le point d’ébullition du solvant. Cette approche repose sur un concept appelé « anisotropie induite par les forces moléculaires » (MFDA), qui exploite les forces entre les molécules de solvant, les dopants et les polymères pour garantir que ces composants s’assemblent de manière optimale.

« Cet outil est très utile pour prédire quel solvant permettra d’obtenir l’orientation du polymère dont vous avez besoin, tout en passant au crible de vastes bases de données de solvants. Cela permet d’économiser beaucoup de temps et de ressources en matière d’optimisation par essais et erreurs », ajoute Diego Rosas Villalva, membre de l’équipe, actuellement basé à l’Université de Berne en Suisse.

À l’aide de ce modèle, les chercheurs ont étudié plus de 10 000 solvants, à la recherche de la combinaison idéale pour un polymère de polythiophène et trois dopants. Ils ont découvert que le solvant courant qu’est le chlorobenzène maximisait l’orientation souhaitée du polymère. Lorsqu’ils ont construit un OTE à partir de cette recette, celui-ci a produit 20 fois plus d’énergie qu’un dispositif similaire préparé à l’aide d’un solvant appelé ortho-dichlorobenzène, le solvant standard généralement utilisé pour construire ces dispositifs.

L’approche MFDA pourrait être appliquée à toute une série d’autres dispositifs à base de polymères. « L’orientation est un facteur très important pour tous les dispositifs électroniques », conclut M. Baran. « Je pense que d’autres chercheurs utiliseront cette stratégie pour comprendre comment les charges se déplacent à l’intérieur des dispositifs électroniques organiques, puis pour améliorer ces dispositifs. »

Rosas Villalva, D., Derewjanko, D., Zhang, Y., Liu, Y., Bates, A., Sharma, A., Han, J., Gibert-Roca, M., Zapata Arteaga, O., Jang, S., Moro, S., Costantini, G., Gu, X., Kemerink, M. & Baran, D. Intermolecular-force-driven anisotropy breaks the thermoelectric trade-off in n-type conjugated polymers. Nature Materials. advance online publication 28 April 2025.| article

Source : Kaust