Développement de verres, vitro-céramiques et céramiques de chalcogénures pour des applications en thermoélectricité

L'intérêt porté au développement de matériaux thermoélectriques est grandissant car ils permettent de créer des sources d'énergie renouvelable, dites « vertes », ce qui s'inscrit pleinement dans la stratégie de lutte contre le réchauffement climatique. A ce jour le rendement de tels systèmes reste faible, le coût de développement élevé, et les plages de températures d'utilisation sont limitées. Dans ces travaux de thèse différentes pistes sont explorées pour développer des matériaux innovants à base de chalcogènes, principalement le tellure. Les principaux résultats portent sur les points suivants. (i) Une étude par spectroscopies couplée à des calculs théoriques a permis de mieux comprendre les phénomènes de conduction dans les verres du système Cu-As-Te. (ii) La recristallisation complète de verres de formulation Ge20Te77Se3 dopés a été réalisée pour pousser à son terme la logique dite du Phonon Glass Electron Crystal (PGEC).(iii) Différents modes de synthèses ont été mis en œuvre pour suivre les propriétés thermoélectriques de matériaux de formulation CuPb18SbTe20 (frittage, SPS, flash-SPS, hybrid flash-SPS). (iv) Accroissement de 170% des performances d'alliage du système Pb-Sb-Te en générant des vacances de sites (composés non-stœchiométriques). (v) Le suivi des conséquences du dopage de GeTe par un seul élément a montré la nécessité d'un co-dopage pour simultanément accroître la conductivité électronique et le Seebeck. (vi) Le co-dopage In-Bi de GeTe a permis de créer des niveaux résonants (In) et d'accroitre la diffusion thermique (Bi). (vii) Enfin, le résultat le plus remarquable porte sur le co-dopage Ga-Sb de GeTe qui permet d'effectuer de l'ingénierie de structure de bandes. Couplé à une synthèse par hybrid flash SPS ces matériaux prometteurs permettent d'obtenir un zT 2 sur une large gamme de température (600–773 K).With the performance of direct conversion between thermal and electrical energy, thermoelectric materials, which are crucial in the renewable energy conversion roadmap, provide an alternative for power generation and refrigeration to solve the global energy crisis. But the low efficiency of the current materials, their usual costs, availability, and limited working temperatures, drastically constrain their application. Hence, the search for new and more efficient thermoelectric materials is one of the most dynamic objectives of this thesis. The key milestones achieved from this thesis work includes: (i) elucidating the mechanism for hole conductivity in Cu-As-Te glasses by X-ray absorption spectroscopy and quantum simulations; (ii) formulating a novel approach to achieve phonon-glass electron-crystal mechanism by crystallizing the Ge20Te77Se3 glasses by excess doping with metals or semi-metals (glass-ceramics); (iii) demonstrating the effect of processing route on the thermoelectric performance of CuPb18SbTe20 and highlighting the advantage of hybrid-flash spark plasma sintering technique, i.e., better optimization of electrical and thermal transport properties and achieving multi-scale hierarchical architectures; (iv) improving the thermoelectric performance of Pb-Sb-Te alloys (enhancement by 170%) by tuning their cation vacancies (Pb deficiencies); (v) understating the impact of doping just a group-11 coinage metal, or group-13 element on GeTe solid-state solution and recapitulating the need for pair substitution; (vi) substantially enhancing the average zT of In-Bi codoped GeTe; (vii) achieving a remarkably high and stable zT of close to 2 over a wide temperature range (600 – 773 K) by manipulating the electronic bands in Ga-Sb codoped GeTe, which has been processed by hybrid flash-spark plasma sintering, thus making it a serious candidate for energy harvesting systems