Générateurs DC polymère/métal écoresponsables basés sur l’effet tribovoltaïque pour l’auto-alimentation de capteurs communicants (TriboVoltEco)

Contexte :

Ces dix dernières années, de nombreux travaux ont été réalisés sur les générateurs triboélectriques basés sur des paires polymère isolant/métal d’électronégativité différente, et qui ont permis d’obtenir en sortie des niveaux de tension alternative élevés ( 100-104 V). Malgré une densité de courant relativement faible ( 0,01-0,1 A.m-2) et la nécessité d’utiliser un circuit de redressement pour produire une puissance continue, la triboélectricité est devenue une voie prometteuse dans le domaine de la récupération de micro-énergie mécanique ambiante dans le but d’alimenter des dispositifs (ultra-) basse consommation. L’effet tribovoltaïque est similaire à l’effet triboélectrique mais implique une paire semi-conducteur/métal, ce qui conduit à des tensions de sortie plus faibles (1-10 V) mais des courants importants ( 10 A.m-2). La friction entre les deux éléments constituant la paire génère un contact Schottky qui induit directement un courant et une tension unipolaire, ce qui simplifie la structure du générateur et diminue le cout énergétique.

L’objectif de la thèse est de développer et caractériser des générateurs tribovoltaïques intégrant des composites polymère à base de polymère semi-conducteur équivalent soluble idéalement dans l’eau et d’une matrice biosourcée afin de tendre vers un générateur flexible à faible impact environnemental. Le travail du doctorant consistera à élaborer et caractériser les générateurs et à trouver le meilleur compromis entre une empreinte carbone limitée et un couplage tribovoltaïque efficient, permettant d’obtenir une puissance de l’ordre de quelques centaines de microWatts.

Travail de thèse proposé :

Le travail de cette thèse est pluridisciplinaire. Il débutera par une étude bibliographique, suivie d’une partie expérimentale qui comprendra quatre grandes tâches :

1) Développement des formulations à base de biopolymère/semi-conducteur. L’influence de la nature de biopolymères et sa concentration, de la nature du solvant et le taux de semi-conducteur seront examinées afin de trouver la composition optimale en termes de tenue mécanique et de réponse tribovoltaique. Les films seront obtenus par drop casting ou spin coating sur des substrats conducteurs rigides et flexibles.

2) Caractérisation physico-chimique et structurale des films composites : afin d’estimer le degré d'homogénéité des films composites, la morphologie de surface sera étudiée par Microscopies Electronique à Balayage (MEB) et Force Atomique (AFM) et la composition par Spectroscopie Photoélectronique X (XPS). Des mesures en spectroscopie UV-Visible et Raman seront également menées sur les échantillons afin d’évaluer le degré de miscibilité ainsi qu’une éventuelle influence du mélange et du solvant sur la structure du semi-conducteur organique.

3) Un banc de mesure spécifique est actuellement utilisé pour évaluer l’effet tribovoltaïque des films développés. Ce banc permettra de contrôler la vitesse de glissement, la force de frottement générée par une contrainte statique perpendiculaire au film. Les paramètres clés influençant l’effet tribovoltaïque tels que l’impédance du polymère, le type de métal et leur travail de sortie, la surface de contact (rugosité et coefficient de friction) et le module élastique (module de Young) seront étudiés. Les propriétés diélectriques des composites seront également déterminées en fonction de l’épaisseur du film et du type de substrat.

4) Tous les matériaux développés seront utilisés pour fabriquer et tester des prototypes récupérateurs d’énergie soumis à différentes excitations mécaniques en condition réelle (flux d’air, vibrations sismiques, pression acoustique, …).

L’IETR est un laboratoire public de recherche spécialisé dans le domaine de l’électronique et des technologies pour le numérique.

Les activités de recherche de l'équipe FunMAT couvrent tous les aspects, de la recherche fondamentale sur les matériaux aux propriétés remarquables jusqu’à l’évaluation des performances des dispositifs-démonstrateurs développés spécifiquement pour des applications en télécommunications, énergie, capteurs et actuateurs.

Être titulaire d’un diplôme d’ingénieur ou d'un MASTER2 Recherche en Matériaux / Physique ou équivalent.