Brevet FR2680279A1 — publié le 19930212

DISPOSITIF THERMO-ELECTRONIQUE A HAUTES PERFORMANCES La présente invention concerne un dispositif thermo-électronique à hautes performances et d'élaboration simple et peu coûteuse, qui peut servir de base à des applications importantes et nombreuses. Parmi ces applications, on peut citer un convertisseur direct d'énergie thermique basse température en énergie électrique et un capteur thermique sensible. Le fonctionnement de ce dispositif est basé sur un effet thermo-électronique intense à des températures modérées (50-100 OC), de nature différente des effets thermo-électriques classiques, type effet Seebeck. L'intensité du phénomène croft quand la température augmente, sans gradient thermique impose. La conversion directe de l'énergie thermique basse température en énergie électrique est un domaine ou l'état de la technique est peu avancé.Elle est basée sur-les effets thermo-électriques classiques, qui donnent des tensions modérées, inférieures au mu/0, et exigeant un gradient thermique. Il en est de meme pour les capteurs de températures. L'intensité du phénomène observé (200 mV en circuit ouvert et 4 mA/cm2en -court-circuit à 70 OC) pmet l'utilisation du dispositif comme convertisseur direct d'énergie thermique basse température en énergie électrique, avec un rendement intéressant. Il permet aussi l'utilisation du dispositif comme capteur thermique sensible. En plus de ces deux applications, il existe certainement d'autres domaines ou il pourrait entre utilisé. Le dispositif que nous avons élaboré est constitué de couches minces de semiconducteurs et de métaux. Le support peut être une plaque de verre ou métal (Ex: aluminium, molybdène...).Sur le support est déposée une électro- - de d'I.T.O.(Indium Tin Oxide) par une technique spray. Sur l'ITO (sur lequel on réserve une place pour le contact électrique);en dépose une couche mince de (Cd,Zn)S (5 % de ZnS) de quelques rm d'épaisseur,par une technique C.V.D. (Chemical Vapor Deposition) à courte distance,avec de l'iode cristallisée comme agent de transport. On fait un recuit à 350 OC dans le vide pendant 2 heures pour rendre le (Cd,Zn)S conducteur type n. Puis, sur le (Cd,Zn)S est déposée une couche mince,de quelques e m d'épaisseur,de CuGaSe Te (x=1) x 2-x par CVD à courte distance. avec l'iode cristalliséecomme agent de transport. Cette couche mince est fortement conductrice type p.Les contadts électriques sont constitués par de la laque d'argent étalée au pinceau: un contact sur l'ITO non recouvert par le (Cd,Zn)S et un contact sur le CuGaSe Te2 x . Avec ce dispositif, nous avons obtenu une tension en circuit ouvert de 200 mV et un courant de court-circuit de l'ordre du mA/cm2 pour une tempé ture de 70 OC sans gradient thermique apparent. La tension et le courant augmentent quand la température croit. A cet effet thermo-électronique peut s'ajouter éventuellement un effet photovoltaique, dans le cas où le support est le verre et si la lumière arrive au niveau de la jonction (Cd,Zn)S CuGaSe Te . Les deux effets ont le mëme signe. Le phénomène est stable, x 2-x les caractéristiques se maintiennent dans le temps. Les performances de ce dispositif peuvent certainement entre encore améliorées, notamment par l'optimisation de la structure électrique (résistance shunt, résistance série, contact électrique) et du matériau. L'effet thermo-électronique observé peut s'expliquer peutfetre par le vidage thermique de pièges profonds à un interface, et le triage des charges par le champ électrique existant aux contacts semiconducteur(n)-semiconducteur(p) ou métal-semiconducteur. Les matériaux responsables sont mal connus car plusieurs composés peuvent se former quand on dépose CuGaSe Te2 (d'après x le diagramme de phase). Il faut noter aussi que d'autres matériaux sont susceptibles de donner l'effet observé, notamment d'autres composés de la famille de CuGaSe Te , c'est-à-dire les composés I-III-VI2 . Il faut x 2-x noter également que d'autres méthodes de dépit des couches minces-peuvent etre utilisées. Le dispositif présenté ici est intéressant par ses applications potentielles. 70 OC est la température de l'eau d'un chauffe-eau solaire par exemple, ou la température d'une tole noire exposée au soleil. D'ou un moyen intéressant de convertir l'énergie solaire en énergie électrique à bas prix de revient, d'autant plus qu'un effet photovoltaique peut éventuellement s'ajouter. L'énergie thermique perdue dans les moteurs peut aussi etre utilisée. Une technique de déport de couches minces en grande surface et à bas prix de revient devrait permettre de passer du stade du laboratoire au stade industriel. Le dispositif présenté ici peut aussi etre utilisé comme capteur thermique sensible, REVENDICATIONS 1)Dispositif thermo-électronique à hautes performances pouvant entre utilisé comme convertisseur direct d'énergie thermique en énergie électrique et comme capteur thermique sensible, caractérisé par une structure en couches minces constituée par un support de verre ou métal sur lequel est déposée une électrode d'ITO (Indium Tin Oxide), puis une couche mince de (Cd,Zn)S dopée type n, puis une couche mince de CuGaSe Te (et des compo x 2-x sés pouvant accompagner le dépôt de ce matériau), ou d'autres composés de la meme famille. Les contacts électriques sont faitstà la laque d'argent sur CuGaSe Te et sur la partie d'ITO non recouverte par (Cd,Zn)S. x 2-x