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Facteur de mérite thermoélectrique (ZT)

1950
  • Abram Ioffe
Chercheur mesurant des matériaux thermoélectriques dans un laboratoire de physique des solides.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Le facteur de mérite thermoélectrique “ZT” est une grandeur sans dimension qui mesure l'efficacité d'un matériau pour les applications thermoélectriques. Il est défini comme [latex]ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}[/latex], où S est le Seebeck le coefficient ZT, [latex]\sigma[/latex] la conductivité électrique, T la température absolue et [latex]\kappa[/latex] la conductivité thermique. Une valeur ZT plus élevée indique un matériau thermoélectrique plus efficace.

The figure of merit encapsulates the essential properties a material must possess to be effective in thermoelectric energy conversion. The numerator, [latex]S^2 \sigma[/latex], is known as the power factor. A high Seebeck coefficient (S) is needed to generate a large voltage from a given temperature difference, and high electrical conductivity ([latex]\sigma[/latex]) is required to minimize resistive (Joule) heating losses. The denominator, thermal conductivity ([latex]\kappa[/latex]), must be as low as possible. A low [latex]\kappa[/latex] helps maintain a large temperature difference across the device, which is essential for both power generation (effet Seebeck) and cooling (effet Peltier).

The primary challenge in thermoelectric material science is that these properties are often interdependent and conflicting. For instance, materials with high electrical conductivity (like metals) also tend to have high thermal conductivity due to the Wiedemann-Franz law. The quest for high ZT materials has led to advanced strategies like nanostructuring. By creating structures with features on the nanoscale, it is possible to scatter phonons (which carry heat) more effectively than electrons (which carry charge), thereby reducing [latex]kappa[/latex] without significantly harming [latex]sigma[/latex]. This ‘phonon-glass electron-crystal’ concept has led to significant improvements in ZT values over the last few decades.

UNESCO Nomenclature: 2211
- Physique de l'état solide

Taper

Propriété physique

Perturbation

Incrémentale

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • les découvertes de seebeck, peltier, et les effets thomson
  • développement de la physique du solide et de la théorie des semi-conducteurs
  • compréhension des mécanismes de transport électrique et thermique dans les solides
  • loi de Wiedemann-Franz reliant la conductivité électrique et thermique

Applications

  • référence pour comparer les performances de différents matériaux thermoélectriques
  • orienter la recherche en science des matériaux vers le développement de dispositifs thermoélectriques plus efficaces
  • paramètre de conception dans l'ingénierie des générateurs thermoélectriques (TEG) et des refroidisseurs (TEC)
  • prédire l'efficacité maximale possible d'un dispositif thermoélectrique

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • encres thermoélectriques imprimables pour créer des récupérateurs d'énergie de forme personnalisée sur n'importe quelle surface
  • films thermoélectriques transparents pour fenêtres intelligentes génératrices d'énergie
  • biodegradable thermoelectric materials for temporary implants médicaux
  • peintures thermoélectriques pour la récupération de chaleur perdue à grande échelle sur les conduites et moteurs industriels
  • tissus thermoélectriques flexibles intégrés aux vêtements pour alimenter les appareils électroniques personnels
  • matériaux améliorés par points quantiques avec structures de bandes électroniques conçues pour des zt ultra-élevés
  • composites thermoélectriques auto-réparateurs pour missions spatiales de longue durée
  • dispositifs hybrides photovoltaïques-thermoélectriques qui captent à la fois la lumière et la chaleur du soleil
  • capteurs thermoélectriques qui mesurent le flux de chaleur avec une grande précision
  • isolants topologiques comme nouvelle classe de matériaux à haute teneur en ZT
Related to : figure de mérite, ZT, efficacité thermoélectrique, coefficient de seebeck, conductivité électrique, conductivité thermique, science des matériaux, facteur de puissance, phonon diffusion, nanostructuration.

Contexte historique

Facteur de mérite thermoélectrique (ZT)

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1957
1947
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1957

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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