Une équipe de l’Institut des technologies de Karlsruhe (KIT), en Allemagne, a mis au point un générateur thermoélectrique de petite dimension, moins onéreux que les solutions actuellement commercialisées. Pour y parvenir, les chercheurs ont élaboré un procédé reposant sur l’impression de deux encres thermoélectriques sur un film, puis sur une mise en forme en 3D grâce à une technique d’origami. Ces travaux, prometteurs dans le domaine de l’internet des objets (IoT), ont été publiés en janvier dans la revue NPJ Flexible Electronics.
Avec le développement de l’IoT, notamment dans l’industrie, les réseaux de capteurs sont devenus de plus en plus important. L’autonomie énergétique des dispositifs est devenue un sujet majeur pour garantir le fonctionnement à long terme de ces réseaux. Car si les micro-batteries et les micro-supercondensateurs ont fait des progrès notables ces dernières années, ils nécessitent encore des opérations de maintenance pour être rechargés ou remplacés, dans des lieux parfois éloignés du réseau électrique.
Mettre en place une moisson énergétique
Pour apporter une source d’énergie aux capteurs, les chercheurs explorent de plus en plus les techniques dites de « moisson énergétique », qui consistent à transformer en électricité une énergie collectée dans le milieu ambiant, comme le mouvement, la chaleur, ou encore la lumière…
Les générateurs thermoélectriques (TEG) miniatures, capables de convertir la chaleur qui les traverse en électricité, sont des solutions particulièrement intéressantes dans un contexte industriel. Ils constituent en effet un moyen de récupérer la chaleur émise par les machines et les procédés industriels pour alimenter les capteurs IIoT (Industrial Internet of things).
Des tels TEG sont actuellement proposés sur le marché, mais ils sont onéreux. Ils sont souvent conçus avec des procédés de fabrication complexes, mettant en œuvre du tellurure de bismuth (Bi2Te3), un élément rare. Ces contraintes de fabrication limitent le développement de cette technologie.
Des composants thermoélectriques imprimés
Les chercheurs du KIT ont mis au point un TEG, constitué d’éléments chimiques abondants et produit selon un procédé facilement reproductible. Ils se sont appuyés sur une technique de sérigraphie pour imprimer sur une feuille-substrat un motif en damier, alternant des zones de type n et des zones type p. Les zones de types n ont été imprimées avec une encre dont l’élément principal est un disulfure de titane (TiS2) tandis les zones de type p ont été réalisées avec une encre composé d’un poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT).
Une technique d’origami pour structurer en 3D
Pour structurer en trois dimensions le générateur thermoélectrique, la feuille est ensuite pliée selon une technique d’origami. Les chercheurs ont obtenu un générateur se présentant sous la forme d’un accordéon, de la taille d’un morceau de sucre. Chaque pli de l’accordéon représente un thermocouple qui assure la conversion de la chaleur en électricité. La densité obtenue est de 190 thermocouples par cm2.
Ce dispositif a ensuite été testé sur une station météo connecté. Le générateur thermoélectrique imprimé a été capable de générer une puissance de 63,4 microwatts, dans le contexte d’une différence de température entre le côté « chaud » et le côté « froid » du TEG de 30° (côté chaud à 55°C et côté froid à 25°C). Une énergie suffisante pour alimenter les capteurs de la station.
Selon les chercheurs la simplicité et l’efficacité de ce procédé de fabrication pourrait favoriser le développement des TEG dans le domaine de l’IIoT.
