Les récupérateurs d’énergie sont des dispositifs qui permettent de convertir des énergies mécaniques (par exemple celles de vibrations) en énergie électrique. Ces systèmes sont très prometteurs, ils peuvent, par exemple, fournir une énergie indispensable dans des endroits isolés ou inaccessibles et même à l’intérieur du corps humain. Pour utiliser l’énergie mécanique créée par l’environnement ou les mouvements du corps humain, de nombreux chercheurs ont réalisé des générateurs piézoélectriques de très faible taille (d’où le nom de nano-générateur) sous forme de films minces mais n’ont obtenu jusqu’ici que de faibles puissances, au mieux 1 volt avec une intensité de 26 nanoampères/cm². En outre les procédés de fabrication utilisés étaient fort complexes et onéreux. Des chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Corée du Sud, ont réussi à produire par une méthode assez simple des couches minces piézoélectriques sur des supports flexibles qui fournissent une puissance 6000 fois plus élevée (200V, 150µA) à partir d’une très faible déformation.

Fig.1. Schéma de fabrication d’un nano-générateur à PZT.
i) Un film de PZT est déposé sur un substrat de saphir poli.
Un film de PET est collé sur la face de saphir portant le PZT. Une irradiation
laser décolle le saphir du PZT, laissant ainsi le PZT sur un support flexible.
ii) Ce dernier est muni d’électrodes interdigitées et d’une protection en résine époxy.
Crédit Advanced Materials.

Fabrication du nano-générateur piézoélectrique à haut rendement

Pour fabriquer la couche de matériau piézoélectrique (ici du PZT) on utilise la méthode classique dite sol-gel. On dépose une couche mince d’une solution contenant de l’oxyde de plomb, du zirconium et du titane sur une plaque de saphir polie. Le tout est chauffé à 450°C pour éliminer les substances organiques. L’opération est répétée jusqu’à obtention de l’épaisseur désirée, ici 2 micromètres. Après cela, le film de PZT est recuit à 650°C. Puis la face de la plaque de saphir révêtue de PZT est collée avec un adhésif polyuréthane sur un film de polyéthylène (PET). Pour séparer le film de PZT du saphir, on balaye à travers la face nue de celui-ci avec un faisceau laser ultraviolet (308 nm de longueur d’onde) l’interface entre la couche de PZT et le substrat de saphir (figure 1), ce qui la vaporise. Ce procédé de décollage permet d’obtenir des films minces fortement piézoélectriques recuits auparavant à haute température et déposés sur un support flexible.
Après cela on dépose par évaporation des électrodes interdigitées sur le film de PZT et on le protège par application d’une couche de résine époxy. Un champ électrique élevé lui est appliqué pendant trois heures à 120°C, ce qui améliore ses propriétés piézoélectriques.

L’effet piézoélectrique est la propriété qu’ont certains corps de présenter une tension électrique sous l’action d’une contrainte mécanique (effet piézoélectrique direct) et réciproquement de se déformer sous l’action d’un champ électrique appliqué (effet inverse). L’effet direct est utilisé pour la réalisation de capteurs divers. Les PZT (Titano-zirconates de plomb) sont des matériaux céramiques de formule chimique Pb(Zrx,Ti1-x)O3. Ils présentent, parmi d’autres propriétés, une forte piézoélectricité.
Crédit Wikipedia

Le nano-générateur sous sa forme finale

La photo ci-dessous montre un nano-générateur piézoélectrique sur film flexible appliqué sur un tube de verre de 3 cm de diamètre. On peut distinguer les électrodes dorées et les fils de contact. Dans l’encadré, le même nano-générateur est placé entre deux doigts d’un opérateur prêt à le déformer.

Fig.2. On voit sur la droite de la photo principale le nano-générateur appliqué sur un tube de verre de 3 cm de diamètre. On remarque les électrodes déposées sur la couche de PZT et les fils de connexion. Dans l’insert en bas à gauche, la feuille de PET support du nano-générateur est placée entre les doigts d’un opérateur.
Crédit Advanced Materials.

La vidéo suivante montre un ensemble de 105 diodes émettrices de lumière montées en série et reliées au nano-générateur piézoélectrique flexible qu’on aperçoit en bas à droite entre deux doigts d’un opérateur. A chaque déformation suivie d’un retour (claquement sonore) du nano-générateur, les diodes s’allument, signant ainsi la génération d’une tension d’environ 200 volts.

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Crédit Pr. Keon Jae Lee
En conclusion, les chercheurs du KAIST ont utilisé la technique largement répandue du décollage par faisceau laser pour obtenir des films minces de PZT de grande surface (3,5 cm x 3,5 cm) sur des substrats flexibles. Elle est ici appliquée au transfert de films minces piézoélectriques de haute qualité sur des substrats plastiques. Lors de mouvements périodiques de torsion et de relâchement, la tension du signal de sortie et l’intensité de son courant atteignent 200 volts et 150 µA. Cette méthode d’obtention de nano-générateurs puissants et flexibles trouvera une application à l’auto-alimentation de circuits électroniques flexibles ainsi qu’à celle de dispositifs biomédicaux, qu’il s’agisse de systèmes d’alerte ou de systèmes intra-corporels comme les stimulateurs cardiaques.

Pour en savoir plus :
Highly-Efficient, Flexible Piezoelectric PZT Thin Film Nanogenerator on Plastic Substrates
Kwi-Il Park , Jung Hwan Son , Geon-Tae Hwang , Chang Kyu Jeong , Jungho Ryu, Min Koo ,Insung Choi , Seung Hyun Lee , Myunghwan Byun , Zhong Lin Wang , and Keon Jae Lee
Advanced Materials, 2014, 26, 2514-2520