Les générateurs thermoélectriques (TEG) constituent une solution à semi-conducteurs fiable permettant de convertir directement la chaleur en énergie électrique sans aucune pièce mobile, ce qui se traduit par un fonctionnement silencieux, un entretien réduit et une longue durée de vie. Ils permettent une utilisation de la chaleur résiduelle, appelée chaleur fatale, issue des procédés industriels, des appareils électroniques et de n'importe quelle source de chaleur, améliorant ainsi le rendement énergétique global d'une installation. Un TEG peut avoir n'importe quelle taille et s'adapter ainsi à tout type d'environnement. Il est constitué de « jambes » semi-conductrices de type p et/ou n, reliées en série électrique par un contact métallique et en parallèle thermique entre 2 sources de chaleur de température différente. Plus il y a de jambes, plus leur taille est grande, et plus la puissance récupérable est importante ; de même, plus la différence de température est grande, et plus la puissance récupérable sera grande.
L'objectif du projet ThermoHarv, cofinancé par le programme Interreg France-Wallonie-Vlaanderen, est d'élaborer des TEG souples à partir de semi-conducteurs organiques, c'est-à-dire de polymères, pour récupérer toute chaleur fatale perdue par les bâtiments (résidentiels, industriels, tertiaires).
Pour déterminer les performances thermoélectriques d'un matériau (et donc des TEG), il faut mesurer 3 paramètres, sa conductivité électrique σ, son coefficient Seebeck S (aussi appelé Pouvoir Thermoélectrique) et sa conductivité thermique κ, afin de calculer la figure de mérite ZT = (σS²/κ)T à la température T. ZT doit être la plus élevée possible, donc un bon matériau thermoélectrique possède une conductivité électrique et un coefficient Seebeck élevés et une conductivité thermique faible, ce qui, pour des raisons physiques connues, est en pratique difficile à obtenir. Les matériaux semi-conducteurs sont ainsi les matériaux qui représentent le meilleur compromis et des stratégies d'optimisation existent.
Durant les 10 dernières années, le laboratoire UMET de l'Université de Lille (Unité Matériaux et Transformations, UMR CNRS 8207) a développé une activité de recherche dans le domaine des polymères et composites à matrice polymère thermoélectriques, capables de convertir la chaleur en énergie électrique. Nous possédons ainsi une solide expertise dans l'élaboration de nanocomposites à matrice polymère chargés en nanotubes de carbone, dans la mesure des propriétés thermoélectriques des matériaux et dans les méthodes de caractérisation structurale de ces matériaux, ainsi que dans l'élaboration de générateurs thermoélectriques organiques (OTEG). À l'UMET, nous sommes ainsi bien équipés pour mesurer σ, S et κ.
Dans le projet ThermoHarv, l'UMET est, entre autres, coordinateur des mesures thermoélectriques pour déterminer la figure de mérite des matériaux élaborés par IMT Nord Europe et SMPC UMONS.
Pour les couches minces (épaisseur d'échantillon < 20 µm), qui nous intéresse plus particulièrement dans le projet ThermoHarv, nous possédons notamment un appareil unique sur le marché qui permet de mesurer ces 3 paramètres de manière quasi-simultanée, et en fonction de la température, jusqu'à 300 °C : le TFA (Thin Film Analyser) de la société Linseis.
Les mesures en elles-mêmes sont automatisées sur l'appareil, mais la préparation des échantillons s'avère souvent délicate et nécessite une certaine expérience : le matériau, en phase liquide dans un solvant, doit être déposé à la pipette sur un chip électronique de petite taille (1 cm x 1 cm) préalablement muni d'un masque en scotch téflon, encore plus petit (5 mm x 3 mm). Après évaporation du solvant, il faut que l'échantillon restant adhère parfaitement au chip, ce qui n'est pas toujours le cas, alors que les chips sont des consommables à usage unique assez coûteux.