Refroidissement thermoélectrique à semi-conducteurs en couche mince
Des chercheurs du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) et de Samsung Electronics ont mis au point un matériau de refroidissement thermoélectrique à l’état solide qui peut être fabriqué en volume grâce à la technologie des semi-conducteurs.
Les structures à super-réseaux hiérarchiques contrôlés (CHESS) sont deux fois plus efficaces que les dispositifs fabriqués avec des matériaux thermoélectriques en vrac disponibles dans le commerce pour refroidir les équipements électroniques. La technologie CHESS est le résultat de dix années de recherche à l’APL, initialement pour des applications de sécurité nationale dans le cadre du programme DARPA aux États-Unis, mais elle a également été utilisée pour procurer une sensation de refroidissement dans des prothèses.
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« Cette démonstration concrète de refroidissement à l’aide de nouveaux matériaux thermoélectriques met en évidence les capacités des films minces CHESS nanotechnologiques », a déclaré Rama Venkatasubramanian, chercheur principal du projet commun et technologue en chef pour les thermoélectriques à l’APL. « Il s’agit d’une avancée significative dans le domaine de la technologie de refroidissement et d’une étape importante dans la transposition des progrès réalisés dans le domaine des matériaux thermoélectriques dans des applications de réfrigération pratiques, à grande échelle et efficaces sur le plan énergétique ».
Ce système refroidit en utilisant des électrons pour déplacer la chaleur à travers des matériaux semi-conducteurs spécialisés, éliminant ainsi le besoin de pièces mobiles ou de liquides de refroidissement difficiles.
« Nous avons utilisé le dépôt en phase vapeur par procédé chimique métallo-organique (MOCVD) pour produire les matériaux CHESS, une méthode bien connue pour son évolutivité, sa rentabilité et sa capacité à prendre en charge la fabrication de grands volumes », a déclaré Jon Pierce, ingénieur de recherche principal qui dirige la capacité de croissance MOCVD à l’APL. « La technique MOCVD est déjà largement utilisée dans le commerce, ce qui la rend idéale pour augmenter la production de matériaux thermoélectriques en couches minces CHESS.
Les chercheurs ont ensuite comparé les modules de réfrigération utilisant des matériaux thermoélectriques traditionnels en vrac avec ceux utilisant des matériaux à couches minces CHESS dans le cadre d’essais de réfrigération normalisés, en mesurant et en comparant la puissance électrique nécessaire pour atteindre différents niveaux de refroidissement dans les mêmes systèmes d’essai de réfrigérateurs commerciaux.
L’équipe de réfrigération de Samsung Electronics, dirigée par l’ingénieur en matériaux Sungjin Jung, a collaboré avec l’APL pour valider les résultats grâce à une modélisation thermique détaillée, en quantifiant les charges thermiques et les paramètres de résistance thermique afin de garantir une évaluation précise des performances dans des conditions réelles.
En utilisant les matériaux CHESS, l’équipe de l’APL a obtenu une amélioration de près de 100 % de l’efficacité par rapport aux matériaux thermoélectriques traditionnels à température ambiante. Cela se traduit par une amélioration de près de 75 % de l’efficacité au niveau des dispositifs dans les modules thermoélectriques et une amélioration de 70 % de l’efficacité dans un système de réfrigération entièrement intégré.
« Cette technologie à couche mince a le potentiel de passer de l’alimentation de petits systèmes de réfrigération à celle de grandes applications de chauffage, de ventilation et de climatisation de bâtiments, de la même manière que les batteries lithium-ion ont été mises à l’échelle pour alimenter des appareils aussi petits que des téléphones portables et aussi grands que des véhicules électriques », a déclaré M. Venkatasubramanian.
Ces matériaux et dispositifs continuent d « être prometteurs pour un large éventail d’applications électroniques et de collecte d » énergie, en plus des récentes avancées dans le domaine de la réfrigération. L’APL prévoit de poursuivre son partenariat avec des organisations pour affiner les matériaux thermoélectriques CHESS, en mettant l’accent sur l’amélioration de l’efficacité pour se rapprocher de celle des systèmes mécaniques conventionnels. Les efforts futurs comprennent la démonstration de systèmes de réfrigération à plus grande échelle, y compris des congélateurs, et l’intégration de méthodes basées sur l’intelligence artificielle pour optimiser l’efficacité énergétique dans le refroidissement compartimenté ou distribué dans les équipements de réfrigération et de CVC ».
« Au-delà de la réfrigération, les matériaux CHESS sont également capables de convertir les différences de température, comme la chaleur corporelle, en énergie utilisable », a déclaré Jeff Maranchi, responsable du programme d’exploration dans le domaine de la recherche et du développement exploratoire de l’APL. « En plus de faire progresser les systèmes tactiles, les prothèses et les interfaces homme-machine de la prochaine génération, cela ouvre la voie à des technologies évolutives de collecte d “énergie pour des applications allant des ordinateurs aux engins spatiaux – des capacités de refroidissement qui n” étaient pas réalisables avec les anciens dispositifs thermoélectriques plus encombrants. »
« Le succès de cette collaboration démontre que la réfrigération à semi-conducteurs à haut rendement n’est pas seulement viable sur le plan scientifique, mais qu’elle peut être fabriquée à grande échelle », a déclaré Susan Ehrlich, responsable de la commercialisation des technologies à l’APL. « Nous sommes impatients de poursuivre la recherche et les opportunités de transfert de technologie avec les entreprises, car nous nous efforçons de traduire ces innovations en applications pratiques dans le monde réel.
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