Des éléments Peltier fabriqués par impression 3 D
Les refroidisseurs thermoélectriques que constituent les éléments Peltier présentent l’avantage de ne pas comporter de pièces mobiles, à la différence des systèmes à compression-détente de gaz dont ils surpassent en outre l’efficacité.
Mais les éléments Peltier classiques sont de fabrication onéreuse (semi-conducteurs massifs ou en couche mince) et il est difficile d’éviter leur dégradation avec le temps.
Des chercheurs de l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Klosterneuburg, Autriche, ont réussi à obtenir des éléments Peltier par fabrication additive avec une efficacité de refroidissement supérieure à celle des dispositifs existants.
La figure suivante montre le dispositif utilisé ainsi que quelques caractéristiques comparées à celles d’éléments Peltier plus classiques.
Fig.1. Processus de synthèse et performance A) Comparaison des figures de mérite zT atteintes dans différentes études par des matériaux thermoélectriques de type n -en haut- et de type p -en bas- avec celles obtenues par les chercheurs autrichiens (courbes rouges). Les symboles pleins représentent des matériaux imprimés, ceux vides indiquent ceux qui sont massifs. B) Schéma de l’imprimante 3 D utilisée où l’on voit les cylindres thermoélectriques imprimés et leur assemblage pour obtenir le dispositif final. C) Coefficient de performance du refroidisseur thermoélectrique en fonction du gradient de température. Le cercle plein rouge représente le résultat de Shengduo Xu et al. D) Comparaison du gradient maximum de température obtenu par des éléments Peltier fabriqués par différentes méthodes. Tiré de Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials Shengduo Xu*, Sharona Horta, Abayomi Lawal, Krishnendu Maji, Magali Lorion, Maria Ibáñez* Science 387, 845–850 (2025), avec autorisation
Les chercheurs ont choisi des poudres de composés thermoélectriques ayant la plus grande efficacité à température ambiante : le Bi0,5Sb1,5Te3 , semi-conducteur de type p, et l’Ag2Se, de type n.
Avec ces poudres, il a fallu mettre au point des encres qui assurent une intégrité structurelle durant l’impression 3D et qui permettent la formation d’un réseau de grains collés à leur interface grâce à un frittage par chauffage modéré (≈133° C)
Fabrication du refroidisseur thermoélectrique
Elle est schématisée sur la figure 2. ci-dessous. De petits cylindres thermoélectriques sont préparés par impression 3D.
On prépare des plaques de circuits imprimés à base d’aluminium tenant lieu d’électrodes. Après avoir été chauffés pour fritter entre eux les microstructures des poudre, les cylindres sont soudés sur une électrode inférieure en circuit imprimé en utilisant une pâte à souder riche en Bi et un masque maintenant chaque cylindre en bonne position(Fig.2.A). Le haut des cylindres est également soudé à une électrode du haut (Fig.2.B). Ce sont ces soudures des électrodes avec les cylindres semi-conducteurs qui constituent les jonctions de l’effet Peltier. L’ensemble constitue un élément d’un refroidisseur thermoélectrique (RTE). Celui-est placé sur une circulation d’eau qui évacue la chaleur de la plaque chaude du RTE ( Fig.2.C).
Les chercheurs ont choisi des poudres de composés thermoélectriques ayant la plus grande efficacité à température ambiante : le Bi0,5Sb1,5Te3 , semi-conducteur de type p et l’Ag2Se, de type n.
Avec ces poudres, il a fallu mettre au point des encres qui assurent une intégrité structurelle durant l’impression 3D et qui permettent la formation d’un réseau de grains collés à leur interface grâce à un frittage par chauffage modéré (≈133° C)
Fig.2. Le procédé d’assemblage du RTE.
A) Assemblage des cylindres imprimés 3 D sur les électrodes inférieures.
B) Assemblage des cylindres sur les électrodes supérieures.
C) Installation d’un élément du RTE sur une circulation d’eau
Tiré de Supplementary Materials for
Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials
Shengduo Xu*, Sharona Horta, Abayomi Lawal, Krishnendu Maji, Magali Lorion, Maria Ibáñez* Science 387, 845–850 (2025), avec autorisation.
La vidéo suivante décrit l’opération d’impression 3 D.
Tiré de Supplementary Materials for
Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials
Shengduo Xu*, Sharona Horta, Abayomi Lawal, Krishnendu Maji, Magali Lorion, Maria Ibáñez* Science 387, 845–850 (2025), avec autorisation.
Cette méthode génère des petits cylindres de composés Bi0,5Sb1,5Te3 ou Ag2Se de hauteur 0,8 mm et de diamètre 1 mm. Les cylindres RTE subissent ensuite une opération de frittage par chauffage (≈ 133°C) qui élimine le liquide de l’encre et met fortement au contact les microstructures des composés utilisés.
Ceci leur donne une haute conductivité électrique tandis que les défauts qui subsistent et une certaine porosité font que la conductivité thermique est faible. Cette dernière caractéristique est un atout car elle permet d’avoir un fort écart de température entre la face chaude et la face froide des cylindres.
On obtient finalement à température ambiante un facteur de mérite zT de 1,42 pour le semi-conducteur de type p ( Bi0,5Sb1,5Te3 ) et de 1,3 pour celui de type n ( Ag2Se). Ces valeurs sont parmi les plus hautes observées pour des matériaux thermoélectriques à des températures proches de l’ambiante.
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La méthode décrite permet de fabriquer de façon reproductible et peu onéreuse des refroidisseurs thermoélectriques de haute performance à partir de l’impression 3 D de leurs constituants. Le secret de cette réussite réside dans la mise au point de formules d’encre qui vont entraîner le collage interfacial des particules lors de l’évaporation par chauffage de la phase liquide de l’encre.
Un assemblage de 32 cylindres a donné un dispositif ayant une capacité de refroidissement comparable à celle de l’« état de l’art » des RTE.
Cette approche constitue une avance dans la technologie thermoélectrique grâce à la valeur élevée de zT et les hautes performances de refroidissement atteintes pour un faible prix de revient.
En outre, elle ouvre la voie au développement de formules d’encres pour l’obtention par impression 3D de semi-conducteurs pour diverses applications.
Pour en savoir plus :
Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling
in 3D-printed materials
Shengduo Xu*, Sharona Horta, Abayomi Lawal, Krishnendu Maji, Magali Lorion, Maria Ibáñez* Science 387, 845–850 (2025), DOI: 10.1126/science.ads0426.
Supplementary Materials for
Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials
Shengduo Xu et al. Science 387, 845 (2025)
