Séminaire doctorant IEF Thermoélectricité 09/11/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF Plan Les effets thermoélectriques Convection électronique et courants internes Nouveau modèle du générateur Equivalence électrique des contacts thermiques 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Les effets thermoélectriques 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Effets thermoélectriques Seebeck (1821) T1 T2 V Matériau 2 Matériau 1 V2 V1 Avec α1 et α2 les coefficients de Seebeck du matériau 1 et du matériau 2 respectivement Parler des thermocouples On impose une différence de température sur les jonctions. On mesure une différence de potentiels. (principe des thermocouples) 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF Effets thermoélectriques Peltier (1834) T2 < T1 Q Matériau 2 I Matériau 1 Matériau 2 T1 Coefficient Peltier  Réfrigération / Pompe à chaleur 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF Effets thermoélectriques Thomson (1854) T2 I T1 avec On lui doit aussi la relation : 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Chaque porteur « emmène » avec lui une quantité de chaleur |α|.T.e Transport couplé Formalisme d’Onsager - Callen: théorie de la réponse linéaire Chaque porteur « emmène » avec lui une quantité de chaleur |α|.T.e avec 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF Peltier vs. Thomson Thomson Peltier La différence entre une somme et une intégrale. Matériau 1 Matériau 2 Equation de la chaleur : 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Définition du coefficient de Seebeck On se fixe un point de référence pour un matériau : α = 0 pour un supraconducteur. Mesure de coefficient Thomson donne α pour toutes les températures pour le platine. On mesure les couples avec les autres matériaux. 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Modélisation d’un matériau TE Thot V1 V0 Tcold Thot Rload Voc R TEG ΔV IQ I Kcond Rload Matériau Kcond R α avec Voc=α.ΔT Tcold Oui mais… 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Prise en compte de la convection électronique Advection : transfert thermique associé à un mouvement macroscopique. Kadv V1 V0 Tcold Thot Rload Voc R TEG ΔV IQ I Kcond Pure perte Conversion avec Abus de langage: pas convection mais plutôt advection Terme convection introduit par Noëlle Pottier dans Physique statistique hors d'équilibre 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Apparition de courants internes Chaud Expression du courant interne 1 2 Froid Augmentation de la conductance thermique Coefficient de Seebeck équivalent : (Article soumis à PRB/ déposé sur ArXiv) 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Les courants TE internes 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Les courants TE internes 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Les courants TE internes dans l’histoire Transport thermique dans des multicouches: (Saleh1991) Conduction ambipolaire dans SC: (Price1955) 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF Les modules 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Les modules thermoélectriques Régulation thermique Pompe à chaleur frigo générateur P > 0 I > 0 IQ > 0 P < 0 I < 0 IQ > 0 P < 0 I > 0 IQ > 0 Pourquoi 2 jambes? Pas de contribution du fil de contact! Garder en mémoire la pompe à chaleur et le régulateur de flux thermique! P < 0 I < 0 IQ < 0 Avantage : pas de pièces mobiles  fiabilité très importante 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Le facteur de qualité ZT Introduit lors du calcul du rendement du module TE : Contribution des pertes thermiques A partir de là on va se concentrer sur le générateur: Contribution des pertes par effet Joule Et on a alors : ZT est une directement lié au rendement du module Ioffe, Physics of Semiconductors (1960) 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF ZT = nombre de Prandtl? ZT est une mesure du ratio maximum entre le flux thermique convectif (donc utile) et le flux thermique conductif (les pertes). 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Relativiser l’importance de ZT Intégration dans un environnement : présence de contacts thermiques (e.g. Freunek et al. JEM2009, Nemir & Beck JEM2010, Narducci APL2011) κcold κconv V1 V0 TcM ThM Tcold Thot Rload Voc R κhot TEG ΔV IQ I κcond Pure perte Conversion Hypothèse Pelec<< IQ avec Analogie avec le térahertz! Hypothèse conversion petite! Travailler l’enchainement rendement/ puissance. Modèle de Thévenin! ! dépendant de la charge Rload. 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Nouveau modèle avec contacts thermiques Kcold Kcond V1 V0 TcM ThM Tcold Thot Rload Voc’ R Khot TEG ΔV IQ I R’ Kconv 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Adaptation thermique et électrique Puissance : avec Kcontact fixée ! Adaptation électrique: Adaptation thermique: Les 2 simultanément: Rendement : Maximum pour 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Impact sur les performances Analogie 3 paramètres  1 sphère, avec K imposé on à le droit d’être seulement sur un cercle. ZT  3 paramètres supposés indépendants. En prenant en compte l’environnement thermique on fixe Kcond et on réduit ainsi le nombre de combinaisons possibles. (Article en cours de révision pour EPL / déposé sur Arxiv) 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Séminaire doctorant IEF Plan Convection électronique et courants internes Nouveau modèle du générateur Equivalence électrique des contacts thermiques Perspectives : 2nde partie Thermodynamique à Temps Fini 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF

Définition du coefficient de Seebeck Définition avec jonction Définition sans jonction Loi locale : Formule de Heikes: Formule de Mott-Cutler: On se fixe un point de référence pour un matériau : α = 0 pour le platine à 0K Mesure de coefficient Thomson donne α pour toutes les températures pour le platine. On mesure les couples avec les autres matériaux. Formule de Ioffe pour les métaux: 12/10/2011 Séminaire doctorant IEF