Modélisation du transport thermique dans des matériaux thermoélectriques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

Thermal transport modeling of thermoelectric materials

Modélisation du transport thermique dans des matériaux thermoélectriques

Résumé

Thermoelectric materials provide a way to convert thermal energy into electrical energy. Nonetheless, their low efficiency is the main obstacle for global scale applications. Experimentally, specific treatments can lead to great improvement in the efficiency, mainly by lowering the thermal conductivity. This thesis is aimed at calculating from first principles, the thermal transport properties in perfect and doped half-Heusler thermoelectric materials. We begin with a theoretical analysis of the harmonic and anharmonic properties of phonons for perfect phases. The density functional theory is used to deduce the phonons lifetime from phonon-phonon interactions. The lifetimes are integrated into the Boltzmann transport equation for the phonon density, which solution allows us to compute fully ab initio the lattice thermal conductivity. The purpose of point defects is to scatter the phonons and thus reduce thermal conductivity. We developed two methods to account for the defects on thermal transport. The first one, based on a mean field approach, is suitable for the high concentration regimes. The second one in the framework of Green functions theory is used for dilute regimes. Both methods consistently show that the main reduction of thermal conductivity is already obtained within around 10 % of solute elements in NiTiSn, NiZrSn and NiHfSn.
Les nouveaux outils de synthèse, de traitement et de caractérisation des matériaux ont donné lieu à de nouvelles découvertes dans le domaine de la thermoélectricité. S'inscrivant parfaitement dans la recherche effrénée de de nouvelles sources d'énergie respectueuses de l'environnement, ceci a suscité un intérêt grandissant au sein de la communauté scientifique. La figure 1 démontre cet intérêt croissant, qui est maintenant exponentiel. La thermoélectricité est une propriété intrinsèque aux matériaux qui leur confère la possibilité de convertir de l'énergie thermique en énergie électrique. A l'échelle mondiale, les pertes thermiques liées aux productions d'énergie et imposées par la limite du rendement Carnot sont immenses. La transformation, même d'une petite partie, de ces gisements d'énergie dégradée justifient la recherche de nouveaux matériaux prometteurs et leur utilisation. Conjointement, les techniques de modélisation des matériaux, de plus en plus fines, peuvent permettent d'explorer et de comprendre ces nouveaux matériaux. Une partie de la communauté scientifique travaille sur les matériaux thermoélectriques dans le but de les optimiser. Leurs rendements de conversion de la chaleur en électricité étant encore relativement faible, diverses méthodes sont mise en œuvre pour les améliorer. Cependant, ces méthodes, encore expérimentales, sont très difficiles à mettre en œuvre de part leur complexité.
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Dates et versions

tel-01347209 , version 1 (20-07-2016)
tel-01347209 , version 2 (10-11-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01347209 , version 1

Citer

Luc Andrea. Modélisation du transport thermique dans des matériaux thermoélectriques. Matériaux. UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE, PARIS VI, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01347209v1⟩
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