Générateur thermoélectrique flexible imprimé sur papier à base de matériaux organiques et hybrides. S. Ferhat 1, C. Domain 2, J. Vidal 2, D. Noël 2, B. Ratier 1 et B. Lucas 1 1 XLIM UMR 7252 Université de Limoges/CNRS, 123 avenue Albert Thomas 87060, Limoges cedex, France 2 EDF R&D,Site des Renardières, avenue des Renardières Ecuelles, 77818, Moret-sur-Loing cedex, France
I. Introduction. Matériaux organiques et hybrides. Etat de l art. II. Matériaux. PEDOT:PSS. (PEDOT) x V 2 O 5. Adaptation à l impression. III. Dispositif. Simulations. Performances expérimentales.
Matériaux organiques - Composantes à base de C: - Molécules complexes (polymères) - Petite molécules (fullerènes) et hybrides: - Assemblage de matériaux organiques et inorganiques. Couplage des avantages des deux composantes. Ex.: Polymère(organique)/Nanoparticules(inorganiques) Recherche et applications: OLEDs, transistors, cellules solaires Intérêt récent pour la thermoélectricité. Pourquoi les semi-conducteurs organiques/hybrides? Abondance Bas coût de synthèse Non-toxicité Flexibilité Faible conductivité thermique X Performances (efficacité de conversion, instabilité à l air) X Synthèse dans des conditions de laboratoire (spincoating, déposition par évaporation )
Avancées rapides en performances X Pas de procédé de fabrication de dispositif (Synthèse dans des conditions de laboratoire, dopage par immersion, traitement acide ) Organique type P Organique type N Inorganique
Matériaux Simulations Production Dispositif TE Synthèse facile Stabilité à l air Matériaux à bas coût Liquide (imprimable) Nanoparticules Evaluation Optimisation (géométrie) Faible coût en énergie (basse température) Procédé rapide Précision de dépôt Variété de substrats Impression Jet d encre Dimatix DMP 381
PEDOT:PSS SC de type P Polystyrène Sulfonate (PSS) contre-ion (dopant) PEDOT:PSS (1:2.5) Traitement post-dopage Interaction ionique Solvant diélectrique (DMSO) Liaison hydrogène PEDOT (Poly 3,4-ethylenedioxythiophene) Paramètres PEDOT:PSS PEDOT:PSS/Solvant PEDOT:PSS/Solvant/dédopage δ (S/cm) 10-2 750 1200 Seebeck (µv/k) 13-16 13-16 24-28 ZT 2x10-7 0.02 0.1
(PEDOT) x V 2 O 5 SC de type N V 2 O 5 PEDOT Solide Cristallin, α-orthorhombique H 2 O + H 2 O 2 Xerogel V 2 O 5 nh 2 O Amorphe + EDOT (monomère) Hybride (PEDOT) x V 2 O 5 Amorphe (PEDOT) x V 2 O 5 Intensité V 2 O 5 Intensité V 2 O 5 nh 2 O
(PEDOT) x V 2 O 5 : performances. S²σ Material (PEDOT) 0.03 Units V 2 O 5 κ 0.68 W/m*K σ 0,16 ±0.03 S/cm Seebeck -350 ± 17 µv/k Power Factor 2 ±0.524 µw/m²k ZT 10-3 Electrochromisme: PEDOT intercalé σ 10-4 S/cm ~S/cm Stable à l air.
Défis: Imprimabilité (encre éjectable). Adaptation à l impression jet d encre Propriétés de la goutte: - Vitesse: ~m/s. précision vs splash - Volume: ~10pL. rapidité de dépôt vs splash, étalement - Forme: sphérique. précision. Taille des particules: obstruction si >diamètre de la buse. Substrat: adhésion, mouillabilité. Contrôle: Signal piezo: tension, durée, température. Rhéologie: viscosité, tension de surface (ajout de tensioactifs, dilution, filtrage). Résultats: Viscosité: 3-8 mpas, tension de surface:24-36 mn/m Filtrage: 5µm (< diamètre de la buse). Signal piezo: d
Impression réussie. Papier Accès facile aux différentes géométries et architectures Asymétrique «Unijambe» Flexibilité mécanique
Géométrie et dimensionnement. Modèle COMSOL MP 1. Simulations thermiques. But: T 20K Contrainte: longueur du thermocouple (R~L) T vs Résistance Equations fondamentales: Peltier Fourier = S ᴋ = Effet Joule Flux de chaleur 2. Simulations électriques. Evaluation des performances en fonction de: - Matériaux - Géométrie - Architecture Optimisation Loi d Ohm j = σ = 0 Effet thermoélectrique Couplage + résolution Densité de courant Accessible, polyvalent et complet.
Simulations thermiques: T = 20K Mesures expérimentales: V oc ~ T Diffusion thermique 5mm PEDOT:PSS
Simulations électriques. Nombre de TC Long. Larg. Epais. Surface totale Fill Factor* 4 5 mm 3 mm ~4 µm 0.128 mm 2 75% *FF: couche active TE/Surface totale du générateur Projection du potentiel électrique Performances simulées: @ T = 20K R L = R i I V P (nw) (Ohm) (ua) (mv) Max (R l =R i ) 139K 0.105 14.7 1.55 Short circuit 0 0.211 0 0 Open circuit 0 29.36 0
Performances expérimentales des dispositifs imprimés @ T=20K. Parameter R L I sc V oc P max P/A Open 0 26.1 0 0 circuit (mv) Short 0 47 0 0 0 circuit (na) Max (R i =R L ) 515 kohm 23 (na) 14.5 (mv) 0.34 (nw) 0.266 µw cm - ² @ T = 20K Bubnova et al. (2011) 0.128µW cm - ² @ 10K Q. Wei et al. (2014) 0.128µW cm - ² @ 50K Fill Factor élevé 75%
Architectures à expérimenter: R2R Asymétrique *Menon & Yee 2016 Radiale* Accordéon