Etude et développement de générateurs thermoélectriques par fabrication additive

De nos jours, et plus que jamais, la récupération d'énergie ambiante et propre est devenue un enjeu majeur. Depuis près de 20 ans, le laboratoire L3M du CEA-Liten a acquis une grande expérience en thermoélectricité (TE), notamment dans les technologies films minces et massifs. La thermoélectricité permet de convertir l'énergie thermique en énergie électrique (effet Seebeck), et réciproquement (effet Peltier). Depuis 8 ans, le L3M s'est également doté d'une expertise en fabrication additive (FA), principalement pour les matériaux métalliques. L'utilisation de la FA pour la TE offre de nouvelles perspectives, et permet notamment d'accéder à des géométries originales (permettant une optimisation du rendement de conversion global et/ou une meilleure intégration), avec moins de perte de matériaux, une diminution significative du challenge d'intégration et d'interface, un temps de fabrication raccourci, un coût plus bas et la possibilité de réaliser des dispositifs très rapidement par rapport aux autres technologies. Le principal verrou consiste à obtenir des matériaux d'aussi bonne qualité (densité, microstructure) que les autres technologies, ce qui passera par un développement et une compréhension approfondis du procédé. Le matériau TE qui sera étudié durant cette thèse est le tellurure de bismuth (Bi2Te3), qui est le matériau de référence dans la gamme de température 300-550 K. L'objectif de cette thèse sera donc d'étudier, de développer et d'optimiser les mécanismes de fabrication du Bi2Te3 par FA (avec la technologie fusion laser sur lit de poudre L-PBF). Cette étude devra notamment permettre de comprendre et de mettre en avant les spécificités des mécanismes de la fabrication additive sur les propriétés structurelles de ce matériau TE. Cette étude structurelle approfondie comprendra également les mesures des propriétés mécaniques, ainsi que les analyses microscopiques. Elle devra également être corrélée aux mesures expérimentales des propriétés thermoélectriques des matériaux fabriqués (coefficient Seebeck, conductivité électriques et thermiques). Une voie d'optimisation du procédé de fabrication consistera également à introduire des nanoparticules et à étudier leurs effets à la fois sur les propriétés mécaniques et TE. Enfin, la fabrication d'un générateur TE nécessite d'associer deux matériaux thermoélectriques (Bi2Te3 de type n et p dans notre cas) et de les assembler ensemble, en optimisant les contacts électriques entre les deux matériaux. Le CEA-Liten a déposé un brevet pour la fabrication originale d'un tel dispositif à partir de la fabrication additive. Ainsi, la réalisation et la caractérisation électrique d'un générateur thermoélectrique seront également développées dans le cadre de ces travaux de thèse, permettant là aussi de mettre en évidence les avantages de cette technique de fabrication, tels que la réalisation de géométrie complexe, moins de perte significative de matériaux, un temps de fabrication raccourci, etc.