FR2919759A1 - Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux - Google Patents
Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux Download PDFInfo
- Publication number
- FR2919759A1 FR2919759A1 FR0705656A FR0705656A FR2919759A1 FR 2919759 A1 FR2919759 A1 FR 2919759A1 FR 0705656 A FR0705656 A FR 0705656A FR 0705656 A FR0705656 A FR 0705656A FR 2919759 A1 FR2919759 A1 FR 2919759A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- superlattice
- heat
- substrate
- vertical
- generator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
Abstract
La présente invention vise à réaliser une conversion d'ondes électromagnétiques par un système de faible complexité et coût ayant un rendement et une fiabilité élevées. Pour ce faire, il est fait appel à une technique de fabrication qui permet de simplifier la fabrication des superréseaux: lors d'une même séquence d'étapes technologiques, un nombre quasi-illimité de couches est obtenu grâce à l'utilisation de structures verticales, c'est-à-dire perpendiculaires au plan du substrat.Selon un exemple de réalisation, un générateur thermoélectrique/thermoionique comprend, en liaison, une microlentille (31), des superréseaux (30), contenant un compartiment (37) d'air ou de vide et un point chaud (33). La micro lentille convergente (31) sert à concentrer l'énergie thermique du rayonnement électromagnétique (35) sur le point chaud (33) des substrats semi-conducteurs, SOI (silicium sur isolant) (32) ou silicium classique (34), situés à proximité de la distance focale de la lentille.
Description
PROCÉDÉ ET GÉNÉRATEUR THERMOÉLECTRIQUE/THERMOIONIQUE DE CONVERSION D'ONDES
ÉLECTROMAGNÉTIQUES PAR DES SUPERRÉSEAUX
La présente invention concerne un procédé et un générateur thermoélectrique/thermoionique de conversion d'ondes électromagnétiques à l'aide de superréseaux pouvant être réalisés, notamment, dans du silicium nanostructuré. L'invention se rapporte également à un superréseau pour le générateur, ainsi que son procédé de fabrication.
La présente invention se situe dans le domaine de l'alimentation des noeuds de communication dans un réseau de capteurs autonomes sans fil. Les réseaux de capteurs créent un espace "intelligent" en réalisant la synthèse de sources multiples d'information pour faciliter et/ou automatiser une prise de décision.
La présente invention se situe plus particulièrement dans le domaine de la transformation de signaux d'entrée thermique, magnétiques ou optiques par des systèmes thermoélectriques, thermodynamiques ou optoélectroniques. L'invention vise à permettre l'autonomie énergétique de chaque noeud de communication dans ce cadre. Les principaux domaines d'application sont les systèmes de transport (par exemple véhicules, aéronefs), les infrastructures (automatisation et sécurisation de l'habitat, maintenance industrielle) ou encore l'environnement (surveillance de la pollution, analyse de l'atmosphère d'une zone de déploiement, etc.).
Dans le domaine des superréseaux pour la thermoélectricité, le document WO 03/032408 décrit un dispositif thermoélectrique incluant une première partie comprenant un matériau thermodynamique (matériau pseudobinaire ou alliage pseudobinaire) et une deuxième partie comprenant un fil métallique. La deuxième partie est en communication thermique et électrique avec la première partie. Le dispositif thermoélectrique a un facteur de mérite approximativement égal à 2.0 pour des températures d'environ 300 K.
Par ailleurs, le document US 6.858.662 traite des surfaces absorbantes à la lumière à l'aide d'une diffraction par des cellules solaires et photodétecteurs. Des structures de forme triangulaire, rectangulaire ou en étoile sont définies dans le but d'améliorer les performances des cellules solaires. La surface de réflexion peut être structurée pour une absorption spectrale large bande ou bande étroite. Une absorption améliorée est obtenue grâce à un couplage optique. Une gravure par ions réactifs est utilisée pour structurer la surface d'absorption, ce qui provoque une dégradation des sous-ondes. Les sous-ondes sont récupérées grâce à la formation de jonctions en utilisant des procédés d'implantation d'ionique.
Concernant les générateurs thermoélectriques/thermoioniques, il est connu du document Gehong Zeng et John E. Bowers, "SiGe/Si superlattice power generators", Proc. of the 24th International Conference on Thermoelectrics (ICT '05), 2005 un traitement de matériau thermoélectrique SiGe pour des applications à haute température. Les structures en multicouches (aussi appelée superréseau) utilisées améliorent les propriétés thermoélectriques en réduisant la conductivité thermique et en augmentant le coefficient de Seebeck via une émission d'électrons chauds à travers une émission thermoionique. Un superréseau SiGe/Si est développée, se basant sur des dépôts planaires obtenus par épitaxie moléculaire. Un générateur avec un unique superréseau SiGe/Si est décrit.
Habituellement, les superréseaux utilisés pour la conversion thermoélectrique chaleur/électricité sont déposés en couches planaires obtenues par épitaxie. Un important nombre de couches est nécessaire pour que la conversion soit efficace. Cependant, les techniques de dépôt par épitaxie sont complexes, longues et coûteuses. La fabrication des superréseaux devient donc également rapidement complexe.
Le problème est donc de concevoir un procédé de conversion d'onde électromagnétique et un système générateur thermoélectrique de faible complexité et coût ayant un rendement et une fiabilité élevées.
Pour le résoudre, la présente invention fait appel à une technique de fabrication qui permet de simplifier la fabrication des superréseaux: lors d'une même séquence d'étapes technologiques, un nombre quasi- illimité de couches est obtenu grâce à l'utilisation de structures verticales, c'est-à-dire perpendiculaires au plan du substrat. Dans le présent exposé, le terme vertical et ses dérivées se rapportent au référentiel en utilisation des structures considérées, des structures verticales restant perpendiculaires au substrat.
En effet, un nombre important de couches dans les superréseaux planaires est nécessaire pour que la conversion soit efficace. Grâce à la structure verticale, un dispositif à fort pouvoir de transduction est obtenu à un coût relativement faible comparé aux techniques habituelles de fabrication des superréseaux par épitaxie.
La présente invention s'adresse en premier lieu à l'alimentation des noeuds de communication dans un réseau de capteurs sans fil afin de les rendre entièrement autonomes d'un point de vue énergétique. L'invention permet l'auto alimentation de capteurs abandonnés (ou à longue autonomie) et de micro- dispositifs électroniques en présence d'une source de chaleur et/ou d'un rayonnement électromagnétique dans le domaine du visible et de l'infrarouge moyen.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de conversion d'ondes électromagnétiques en électricité, comportant une étape de conversion d'énergie en chaleur à partir d'une onde électromagnétique sur un substrat, une étape de conversion d'énergie à partir de la chaleur en électricité à l'aide de superréseaux verticaux et une éventuelle étape de stockage des charges électriques.
Avantageusement, la lumière est concentrée pour être focalisée sur une zone structurée dudit substrat, limitant ainsi le pouvoir réfléchissant de la surface aux longueurs d'ondes considérées.
L'objet de la présente invention est également un générateur thermoélectrique/thermoionique pour la mise en oeuvre du procédé de conversion précédant, comprenant en liaison au moins une lentille, un substrat, au moins un superréseau vertical, au moins un point chaud, au moins une zone d'optimisation du transfert de chaleur avec au moins un point froid et au moins une capacité de stockage verticale .
De préférence, le générateur comporte une multitude de superréseaux fournissant de l'énergie électrique à partir d'une différence de température.
Avantageusement :
- les superréseaux verticaux sont connectés en parallèle et gravés directement dans un substrat semi-conducteur, comme le silicium ;
- une auto-alimentation des superréseaux effectuée en présence d'une source de chaleur et/ou d'un rayonnement électromagnétique dans le domaine du visible et de l'infrarouge moyen ;
20 - la différence de températures entre les électrodes chaudes et froides des superréseaux est maximisée par rayonnement électromagnétique et usinage du substrat.
Ainsi, le générateur selon l'invention utilise les effets thermoélectriques 25 et thermoioniques d'une multitude de réseaux multicouches (ou superréseaux) pour fournir de l'énergie électrique à partir de différences de températures.
La présente invention maximise alors la différence de températures entre des électrodes chaudes et froides des superréseaux en se basant sur la 30 présence d'un rayonnement électromagnétique.
Dans ces conditions, l'invention assure la conversion de la lumière visible et infrarouge moyen en chaleur puis en énergie électrique avec une densité de puissance élevée, une fabrication collective et un coût modéré. 15 Selon des caractéristiques avantageuses : - la lumière est concentrée à l'aide d'une lentille en verre ou en résine 5 polymère transparente ; - le point de focalisation de la lumière correspond à une zone où le substrat est structuré afin de limiter le pouvoir réfléchissant de la surface aux longueurs d'ondes considérées ; - la zone froide du générateur présente un arrière et des bords micro usinés afin d'optimiser l'évacuation de la chaleur dans l'environnement extérieur ;
- des tranchées verticales, dont le matériau de remplissage est un 15 diélectrique, servent de capacités pour le stockage de l'énergie récupérée.
L'invention se rapporte également à un superréseau de conversion de chaleur en électricité, comprenant au moins un substrat contenant des couches minces d'un premier matériau, disposées en alignement vertical et en alternance 20 avec des couches minces d'au moins un deuxième matériau, disposées également en alignement vertical.
Selon des modes particuliers :
25 - le premier matériau est réalisé sur un substrat silicium, le deuxième matériau, dit matériau de remplissage, est soit un semi-conducteur soit un métal.
- les superréseaux sont fabriqués sur un isolant électrique et thermique afin de limiter la conductivité thermique et électrique par d'autres voies que par le 30 déplacement des porteurs dans le superréseau ;
- le superréseau peut être suspendu ; - le superréseau possède une structure en anneau ; - le superréseau possède une structure en étoile ; 10 - le superréseau possède une structure quasi unidimensionnelle où la largeur de chaque réseau est réduite en dessous de la cinquantaine de nanomètres ; - le substrat fait partie du superréseau ; L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un superréseau multicouches de conversion de chaleur en électricité, comportant une étape de fabrication d'un substrat comprenant des couches d'un premier matériau mince disposé en alignement vertical, d'une deuxième étape de fabrication d'au moins un deuxième matériau en couches minces disposées en alignement vertical, et d'une troisième étape d'implémentation en alternance dans le substrat des couches minces des différents matériaux.
Les principaux avantages techniques et économiques de la solution 15 décrite sont les suivants :
• Faible coût de fabrication de superréseaux pour la thermoélectricité. L'utilisation de structures verticales pour la fabrication de superréseaux, permet une importante diminution du nombre d'étapes technologiques par rapport aux 20 superréseaux classiques planaires. De plus, l'objet de l'invention est réalisé à partir des matériaux et techniques de fabrication des circuits intégrés et des composants MEMS (Systèmes Micro Electromécaniques, ou micro-systèmes). De nombreux dispositifs peuvent donc être fabriqués collectivement sur un même substrat. 25 • Haute densité de puissance, au moins équivalente à celle des dispositifs photovoltaïques. La puissance générée est directement liée aux possibilités de l'usinage du silicium à l'échelle sub-micrométrique et nanométrique ainsi qu'à la qualité des dépôts. • Fiabilité du composant. Le composant ne contient pas de partie mobile. La lentille assure une protection simple et efficace de la partie active de l'invention, c'est-à-dire du convertisseur d'énergie, vis-à-vis du milieu extérieur. 30 La présente invention sera mieux comprise ciaprès à l'aide d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés qui représentent respectivement : en figure la, un exemple de réalisation simplifié des étapes de 5 fabrication d'un superréseau planaire de l'art antérieur ; - en figure lb, un exemple de réalisation simplifié des étapes de fabrication d'un superréseau vertical directement implémenté dans un substrat SOI; - en figure 2, un exemple de réalisation d'un schéma bloc de 10 fonctionnement du composant ; - en figure 3a, une vue en coupe avec des superréseaux suspendus sur substrat SOI ; - en figure 3b, une vue en coupe avec des superréseaux suspendus sur un substrat silicium classique ; 15 - en figure 4a, un exemple de réalisation d'un superréseau avec une structure en anneau ; - en figure 4b, un exemple de réalisation d'un superréseau avec une structure en étoile ; - en figure 5, un exemple de capacité de stockage verticale. 20 Pour rappel, un substrat est un matériau à la surface duquel est déposée une autre couche de matériau, le substrat servant de support à celui-ci en le retenant ou en l'absorbant. Un superréseau est l'alternance de couches minces (de l'ordre de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres) de 25 différents matériaux, généralement au nombre de deux. Il permet une nette amélioration de la conversion thermoélectrique par rapport aux matériaux massifs.
La figure la illustre un exemple simplifié de réalisation de l'art antérieur, 30 comportant des étapes de fabrication simplifiées d'un superréseau planaire. Le substrat 17 sert de support à la combinaison par dépôts successifs des matériaux 11 et.12. Le superréseau 13 est, par exemple, réalisé en dix étapes à partir de la superposition de huit couches et de huit dépôts différents selon l'axe Y'Y. L'alignement des couches est planaire, c'est-à-dire qu'il est parallèle au substrat. Le sens de déplacement des porteurs est vertical, c'est-à-dire perpendiculaire à la position initiale du substrat.
La figure lb est relative aux étapes simplifiées de fabrication d'un superréseau vertical directement implémenté dans le substrat 17 de type SOI (initiales de Silicon On Insulator , c'est-à-dire silicium sur isolant) avec une alternance de couches minces de différents matériaux, au nombre de deux dans l'exemple, 14 et 15. Les deux matériaux étant constitués chacun de sept couches minces, le superréseau résultant 16 est constitué de quatorze couches et est réalisé en trois étapes principales selon l'axe X'X: gravure du substrat constituant le premier matériau 14, remplissage des ouvertures avec le second matériau 15, élimination de l'excès de matériau 15 formant une couche supérieure 15a. L'alignement des couches est vertical, c'est-à-dire qu'il est perpendiculaire au substrat. Le sens de déplacement des porteurs est horizontal, c'est-à-dire parallèle à la position initiale du substrat.
La figure 2 représente le schéma bloc de fonctionnement selon l'invention incluant : une source électromagnétique externe 21 et une charge électrique externe 29. Entre la source et la charge électrique externe, l'invention comprend un moyen de conversion d'onde électromagnétique en chaleur, des superréseaux verticaux pour la conversion de chaleur en électricité, et une éventuelle zone de stockage sous la forme d'une capacité intégrée au substrat. 25 Les différentes étapes du procédé de conversion réalisé grâce à ces composants comprennent une étape 25 de détection d'une source électromagnétique 21, une étape 26 de conversion d'énergie à partir d'une onde électromagnétique en chaleur, une étape 27 de conversion d'énergie à partir de 30 la chaleur en électricité, une étape 28 de stockage et une étape 29 de génération de charge électrique.
Un générateur thermoélectrique/thermoionique est un dispositif générateur d'énergie électrique obtenue à partir d'une source de chaleur. Selon20 l'invention il est réalisé par le superréseau vertical et son efficacité est maximisée à l'aide d'un rayonnement électromagnétique. Un échauffement localisé, appelé ultérieurement "point chaud" est notamment maximisé par la focalisation du rayonnement électromagnétique ambiant à l'aide d'une lentille. La lentille décrite dans la présente invention est dédiée au rayonnement solaire, mais toutes les longueurs d'onde sont susceptibles d'être utilisées sous réserve d'utiliser un matériau dont la transparence est appropriée.
10 Le point chaud, qui correspond au point de focalisation de la lentille, est une structuration tridimensionnelle du substrat de silicium basée sur le principe des couches absorbantes à la lumière dans les cellules photovoltaïques. Cela permet le dépôt d'une couche à forte conductivité thermique (typiquement un métal) tout en évitant la réflexion du rayonnement, ce qui a pour effet de 15 maximiser l'échauffement du matériau.
Un point froid est aussi défini sur le substrat, et réalisé par micro-usinage sur le principe des radiateurs thermiques, pour favoriser l'évacuation de la chaleur avec le milieu environnant. La conversion de la différence de température entre les points chaud et froid en électricité est obtenue à l'aide d'un ou de plusieurs superréseaux connectés en parallèles et réalisés verticalement dans le substrat.
25 L'énergie électrique récupérée est stockée dans une capacité "réservoir" de valeur significative. Celle-ci peut être directement intégrée dans le substrat en connectant en parallèle une multitude de capacités plans verticales usinées dans le substrat.
30 En figure 3a est présentée une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un superréseau 30 suspendu formé sur un substrat SOI 32 et, en figure 3b, une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un superréseau 30 suspendu formé sur un substrat de silicium classique 34. 20 Ces deux exemples de réalisation comprennent une micro lentille 31, des superréseaux 30, contenant un compartiment 37 d'air ou de vide et un point chaud 33. La micro lentille convergente 31 sert à concentrer l'énergie thermique du rayonnement électromagnétique 35 sur le point chaud 33 des substrats semi- conducteurs 32 (figure 3a) ou 34 (figure 3b), situé à proximité de la distance focale de la lentille.
La création d'une cavité sous le super réseau a l'avantage d'augmenter les performances du superréseau en diminuant les pertes calorifiques entre les points chaud et froid. Avantageusement, l'exemple de réalisation en figure 2b est effectué sur un substrat silicium classique, impliquant ainsi l'obtention d'une structure de superréseaux à moindre coût et à hautes performances.
Afin d'être facilement réalisée à l'aide des techniques usuelles de micro 15 fabrication et de pouvoir aisément être soudée au substrat semi-conducteur 32 ou 34 la lentille est préférentiellement de géométrie plano convexe.
Dans le cas d'une source électromagnétique solaire, le matériau peut être du verre ou une résine de type PolyDimethylSiloxane (PDMS, plus connue 20 sous le nom de silicone) ou PolyMethyl MethAcrylate (PMMA).
Pour maximiser l'échauffement, le point chaud 33 doit avoir une faible réflexion et une forte absorption du rayonnement électromagnétique incident 36. Ces propriétés sont obtenues en micro usinant le substrat pour reproduire des 25 motifs verticaux, en plein ou en creux, rectangulaires, coniques, pyramidaux ou autres, et dont les longueurs caractéristiques se situent généralement aux alentours de la moitié des longueurs d'onde considérées. Les propriétés absorbantes des couches structurées en trois dimensions sont souvent utilisées pour améliorer le rendement des cellules photovoltaïques. 30 Les multiples réflexions du rayonnement incident sur les motifs tridimensionnels, sa diffraction aux interfaces, ainsi que la création éventuelle d'une onde plasmon se propageant en surface, va largement favoriser son absorption dans le matériau et par conséquent son échauffement. Le point chaud peut-être recouvert d'un film à forte conductivité thermique afin d'homogénéiser la température. Les propriétés souvent fortement réfléchissantes à la lumière de ces matériaux seront annihilées par la structuration tridimensionnelle.
La transduction thermoélectrique est obtenue à l'aide de superréseaux dont le pouvoir thermoélectrique est plus élevé que les matériaux massifs. La géométrie verticale des superréseaux permet de considérablement simplifier le procédé de fabrication.
La réalisation de superréseaux verticaux dans le substrat de silicium, celui-ci devenant l'un des deux matériaux du superréseau, réduit les coûts.
Pour la fabrication des superréseaux planaires, il convient de réaliser autant de dépôts que de couches. Dans le cas de la présente invention, une première étape de gravure définit la géométrie des couches du premier matériau, celui-ci correspondant au substrat. Ensuite, une étape de remplissage des espaces dégagés avec le second matériau des superréseaux est effectuée, pour obtenir des structures de bande d'énergie en forme de multiples barrières de potentiel.
Le matériau de remplissage est déposé par différents moyens technologiques comme la pulvérisation cathodique, l'évaporation, l'électrolyse ou les dépôts en mode vapeur chimique. Typiquement, pour des réseaux à base de silicium, on peut utiliser des alliages à base de silicium, de germanium et de carbone, ainsi que des métaux.
Un nombre quasi-illimité de couches est ainsi réalisé en un nombre réduit d'étapes et cela favorise la simplicité de l'approche verticale par rapport aux superréseaux traditionnels planaires. Le silicium est un matériau adapté pour le substrat. Sa gravure peut-être obtenue par gravure profonde assistée par plasma (Deep Reactive Ion Etching, DRIE en langue anglaise). Cette technologie a déjà permis la réalisation de tranchées inférieures à quelques dizaines de nanomètres de large.
Cette technique de gravure permet de bien contrôler la rugosité de l'interface entre les couches du superréseau, cela représente un paramètre important pour améliorer l'efficacité de la conversion thermoélectrique.
Alternativement, pour ajuster les niveaux d'énergie de chaque couche du superréseau, la composition du substrat est modifiée par implantation ionique, afin d'ajuster son dopage ou sa composition atomique.
Alternativement, pour supprimer le surplus de second matériau, dit de 10 remplissage, une étape de polissage est réalisée.
Un des intérêts des superréseaux est d'augmenter le facteur de mérite associé ZT aux propriétés thermoélectriques d'un matériau, par rapport à celui d'un élément massif, ZT étant défini à partir du coefficient Seebeck, de la 15 température en K, de la résistivité électrique et de la conductivité thermique.
Le générateur thermoélectrique/ thermoionique selon la présente invention comprend deux modules distincts qui sont assemblés :
20 • une lentille optique réalisée dans un matériau transparent aux longueurs d'onde considérées pour la source électromagnétique, et
• un substrat semi-conducteur où sont réalisés l'usinage du point chaud, les superréseaux verticaux et les zones d'optimisation du transfert de chaleur 25 avec l'extérieur (point froid).
Plusieurs mises en oeuvre sont possibles pour la topologie des superréseaux. Plusieurs géométries particulièrement bien adaptées à l'invention sont possibles. En figure 4a est présentée une architecture avec un point chaud 30 central 42 et des superréseaux 45 disposés en plans circulaires. En figure 4b est présentée une architecture avec un point chaud central 42 et des superréseaux 43 disposés en étoile.
Les zones froides 41 sont reliées entre elles par un matériau à la fois conducteur de chaleur et d'électricité, comme un métal par exemple.
Pour une disposition en étoile, la largeur de chaque réseau peut être réduite en dessous de la cinquantaine de nanomètres. La structure quasi unidimensionnelle qui en résulte accroît d'avantage le confinement quantique des porteurs et améliore le facteur de mérite thermoélectrique du dispositif.
La charge 46 représente une charge résistive ou une capacité de stockage pour la sauvegarde temporaire de l'électricité récupérée à partir des 10 ondes électromagnétiques.
D'importantes capacités de stockage peuvent être directement intégrées dans le substrat en réalisant des capacités verticales alternant un matériau conducteur et un diélectrique. Comme illustrée en figure 5, une structure 15 capacitive 46 en peignes inter digités est réalisée, comprenant un matériau conducteur 51 et un matériau diélectrique 52, connectant chaque couche en parallèle.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation 20 décrit.
La différence de températures entre les électrodes chaudes et froides des supérréseaux peut être minimisée.
25 Le générateur thermoélectrique/thermoionique effectuant la conversion d'énergie thermique en énergie électrique peut utiliser la chaleur dissipée par les composants électroniques pour réinjecter de la puissance électrique et diminuer ainsi leur consommation.
30 La conversion thermoélectrique étant basée sur des phénomènes réversibles, le générateur thermoélectrique/thermoionique peut aisément être modifié en micro-refroidisseur pour, par exemple, évacuer de façon localisée les points chauds des composants électroniques et optoélectroniques. 35
Claims (20)
1. Procédé de conversion d'ondes électromagnétiques en électricité, caractérisé en ce qu'il comporte une étape (26) de conversion d'énergie en chaleur à partir d'une onde électromagnétique sur un substrat (17, 32), une étape (27) de conversion d'énergie à partir de la chaleur en électricité à l'aide de superréseaux verticaux (16, 30, 43, 45), et une éventuelle étape (28) de stockage des charges électriques.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lumière est concentrée (31) pour être focalisée sur une zone structurée dudit substrat (17, 32), limitant le pouvoir réfléchissant de la surface aux longueurs d'ondes considérées.
3. Générateur thermoélectrique/thermoionique pour la mise en oeuvre du procédé de conversion selon la rrvéndicatidn 1 ou 2, comprenant en liaison au moins une lentille (31), un substrat contenant au moins un superréseau vertical (30), au moins un point chaud (33), au moins une zone d'optimisation du transfert de chaleur avec au moins un point froid (41) et au moins une capacité de stockage verticale (46).
4. Générateur selon la revendication 3, dans lequel une multitude de superréseaux fournissant de l'énergie électrique à partir d'une différence de 25 températures pour obtenir des effets thermoélectrique et thermoionique.
5. Générateur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les superréseaux verticaux sont connectés en parallèle et gravés directement dans un substrat semi-conducteur, comme le silicium.
6. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel une auto-alimentation des superréseaux effectuée en présence d'une source de chaleur et/ou d'un rayonnement électromagnétique dans le domaine du visible et de l'infrarouge moyen. 30
7. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel la différence de températures entre les électrodes chaudes et froides des superréseaux est minimisée.
8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel la lumière est concentrée à l'aide d'une lentille en verre ou en résine polymère transparente. 10
9. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel le point de focalisation de la lumière correspond à une zone où le substrat est structuré afin de limiter le pouvoir réfléchissant de la surface aux longueurs d'ondes considérées. 15
10. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, dans lequel la zone froide du générateur présente un arrière et des bords micro usinés afin d'optimiser l'évacuation de la chaleur dans' l'environnenient extérieur.
11. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, 20 dans lequel des tranchées verticales, dont le matériau de remplissage est un diélectrique, servent de capacités pour le stockage de l'énergie récupérée.
12. Superréseau multicouches (14, 15 ; 30) de conversion de chaleur en électricité par un générateur selon l'une quelconque des 25 revendications 3 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un substrat contenant des couches minces d'un premier matériau (14) disposées avec un alignement vertical et en alternance avec des couches minces d'au moins un deuxième matériau (15), disposées également en alignement vertical. 30
13. Superréseau selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un substrat silicium.
14. Superréseau selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le premier matériau est réalisé sur un substrat silicium, le deuxième matériau, dit5 16 matériau de remplissage, est soit un semi-conducteur soit un métal.
15. Superréseau selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il est suspendu.
16. Superréseau selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il possède une structure en anneau (45).
17. Superréseau selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, 10 caractérisé en ce qu'il possède une structure en étoile (43).
18. Superréseau selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, caractérisé en ce qu'il possède une structure quasi unidimensionnelle et la largeur de chaque superréseau est réduite en dessous de la cinquantaine de 15 nanomètres.
19. Superréseâu•selon l'une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce que le substrat (14) fait partie dudit superréseau. 20
20. Procédé de fabrication d'un superréseau (14, 15, 30) mufti couches de conversion de chaleur en électricité selon l'une quelquonque des revendication 12 à 19, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de gravure d'un substrat en couches minces disposées avec un alignement vertical (14), d'une deuxième étape de dépôt d'au moins un deuxième matériau en couches 25 minces disposées en alignement vertical (15) pour le remplissage des zones précédemment gravées et d'une troisième étape (16) de retrait de l'excès de matériau (15) déposé.5
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0705656A FR2919759A1 (fr) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0705656A FR2919759A1 (fr) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2919759A1 true FR2919759A1 (fr) | 2009-02-06 |
Family
ID=39166371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0705656A Pending FR2919759A1 (fr) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2919759A1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014018488A1 (de) * | 2014-12-16 | 2016-06-16 | Airbus Defence and Space GmbH | Energy-Harvesting-Einheit, damit versehenes Fahrzeugbauteil und Verfahren zum Energy-Harvesting |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS51120766A (en) * | 1975-04-16 | 1976-10-22 | Katsuyoshi Takagi | Star type film thermocouple radliation detector |
| WO1980001438A1 (fr) * | 1979-01-02 | 1980-07-10 | E Gomez | Dispositif de production et d'emmagasinage d'energie |
| JPH07283444A (ja) * | 1994-04-06 | 1995-10-27 | Nissan Motor Co Ltd | 赤外線検知素子の製造方法 |
| US5793092A (en) * | 1994-09-29 | 1998-08-11 | Max-Planck-Gesselschaft | Thermoelectric radiation detectors based on perovskite doped films and superlattices |
| US5900071A (en) * | 1993-01-12 | 1999-05-04 | Massachusetts Institute Of Technology | Superlattice structures particularly suitable for use as thermoelectric materials |
| US20020175408A1 (en) * | 2001-03-30 | 2002-11-28 | The Regents Of The University Of California | Methods of fabricating nanostructures and nanowires and devices fabricated therefrom |
| US20040238022A1 (en) * | 2001-12-12 | 2004-12-02 | Hiller Nathan D. | Thermoelectric power from environmental temperature cycles |
| US20050218328A1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-06 | Akiko Suzuki | Infrared sensor |
| US20070128773A1 (en) * | 2005-12-07 | 2007-06-07 | Intel Corporation | Forming a thin film thermoelectric cooler and structures formed thereby |
| EP1885004A1 (fr) * | 2006-07-24 | 2008-02-06 | C.R.F. Società Consortile per Azioni | Dispositif pour la conversion de radiation électromagnétique en énergie électrique et procédé de conversion correspondant |
-
2007
- 2007-08-02 FR FR0705656A patent/FR2919759A1/fr active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS51120766A (en) * | 1975-04-16 | 1976-10-22 | Katsuyoshi Takagi | Star type film thermocouple radliation detector |
| WO1980001438A1 (fr) * | 1979-01-02 | 1980-07-10 | E Gomez | Dispositif de production et d'emmagasinage d'energie |
| US5900071A (en) * | 1993-01-12 | 1999-05-04 | Massachusetts Institute Of Technology | Superlattice structures particularly suitable for use as thermoelectric materials |
| JPH07283444A (ja) * | 1994-04-06 | 1995-10-27 | Nissan Motor Co Ltd | 赤外線検知素子の製造方法 |
| US5793092A (en) * | 1994-09-29 | 1998-08-11 | Max-Planck-Gesselschaft | Thermoelectric radiation detectors based on perovskite doped films and superlattices |
| US20020175408A1 (en) * | 2001-03-30 | 2002-11-28 | The Regents Of The University Of California | Methods of fabricating nanostructures and nanowires and devices fabricated therefrom |
| US20040238022A1 (en) * | 2001-12-12 | 2004-12-02 | Hiller Nathan D. | Thermoelectric power from environmental temperature cycles |
| US20050218328A1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-06 | Akiko Suzuki | Infrared sensor |
| US20070128773A1 (en) * | 2005-12-07 | 2007-06-07 | Intel Corporation | Forming a thin film thermoelectric cooler and structures formed thereby |
| EP1885004A1 (fr) * | 2006-07-24 | 2008-02-06 | C.R.F. Società Consortile per Azioni | Dispositif pour la conversion de radiation électromagnétique en énergie électrique et procédé de conversion correspondant |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LI J-F ET AL: "Microfabrication of thermoelectric materials by silicon molding process", SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 108, no. 1-3, 15 November 2003 (2003-11-15), pages 97 - 102, XP004475529, ISSN: 0924-4247 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014018488A1 (de) * | 2014-12-16 | 2016-06-16 | Airbus Defence and Space GmbH | Energy-Harvesting-Einheit, damit versehenes Fahrzeugbauteil und Verfahren zum Energy-Harvesting |
| DE102014018488B4 (de) | 2014-12-16 | 2023-05-17 | Airbus Defence and Space GmbH | Energy-Harvesting-Einheit und damit versehenes Fahrzeugbauteil |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huang et al. | Formation of lead halide perovskite based plasmonic nanolasers and nanolaser arrays by tailoring the substrate | |
| CA2853751C (fr) | Detecteur infrarouge a base de micro-planches bolometriques suspendues | |
| JP2010509899A (ja) | 太陽光熱電変換 | |
| Chen et al. | A scalable dealloying technique to create thermally stable plasmonic nickel selective solar absorbers | |
| EP3077327B1 (fr) | Absorbeur solaire thermique avec structure de surface et leur procédé de réalisation | |
| CN101114690A (zh) | 用于将电磁辐射转换成电能的设备及相应工艺 | |
| FR2732510A1 (fr) | Cellule thermovoltaique a miroir in situ | |
| FR3029355A1 (fr) | Generateur thermoelectrique | |
| FR2969284A1 (fr) | Detecteur infrarouge a base de micro-planches bolometriques suspendues | |
| FR2802311A1 (fr) | Dispositif de lithographie utilisant une source de rayonnement dans le domaine extreme ultraviolet et des miroirs multicouches a large bande spectrale dans ce domaine | |
| EP2309560A1 (fr) | Générateur thermoélectrique | |
| EP2694879A1 (fr) | Emetteur pour systeme thermophotovoltaïque et systeme thermophotovoltaïque comportant au moins un tel emetteur | |
| FR3010198A1 (fr) | Dispositif emissif lumineux a structures diffractives et a hologramme synthetique | |
| EP2926194A1 (fr) | Source de rayonnement infrarouge directionnelle commutable | |
| Kirikae et al. | A silicon microcavity selective emitter with smooth surfaces for thermophotovoltaic power generation | |
| FR2919759A1 (fr) | Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux | |
| EP2312154B1 (fr) | Générateur thermoélectrique | |
| CA3157338A1 (fr) | Procede et appareil pour une conversion d'energie solaire accrue | |
| FR2978616A1 (fr) | Refroidissement actif pour cellule photovoltaique a concentration | |
| FR3033963A1 (fr) | Systeme photovoltaique bifacial muni de fibres optiques pour l'eclairement de la face arriere de cellules photovoltaiques | |
| FR2969421A1 (fr) | Dispositif de generation d'energie electrique | |
| EP2857123A1 (fr) | Absorbeur de lumière | |
| Magdi et al. | Lithography-free fabrication of crystalline silicon nanowires using amorphous silicon substrate for wide-angle energy absorption applications | |
| FR2985604A1 (fr) | Dispositif de photodetection. | |
| Li et al. | Ultrathin c-Si solar cells based on microcavity light trapping scheme |