Cette thèse porte sur le mouvement de particules colloïdales induit par l’effet thermoélectrique (ou effet Seebeck). Dans un électrolyte soumis à un gradient de température, les ions ont tendance à migrer à des vitesse qui différent d'une espèce à l'autre. On observe alors une accumulation de charge aux bords de l’échantillon. Ce déséquilibre induit un champ électrique qui agit sur les colloïdes chargés présents dans la solution. Cette contribution électrophorétique dans le champ de Seebeck s'additionne à la contribution directe de thermodiffusion. Comme résultat principal,nous obtenons la vitesse phorétique en fonction de la fraction volumique des particules et, dans le cas de polyélectrolytes, du poids moléculaire. Dans la seconde partie, nous étudions l’effet thermoélectrique pour une particule chauffée par absorption d’un faisceau laser. Le gradient de température est alors radial et l’effet Seebeck induit une charge nette dans le voisinage de la particule. Enfin, nous discutons les applications possibles de ce phénomène de thermocharge / In this work we study the motion induced in a colloidal dispersion by thethermoelectric or Seebeck effect. As its basic principle, the ions of the electrolytesolution start moving in a temperature gradient. In general, the velocity of one iondiffers from another. As a result, one observes a charge separation and a macroscopicelectric field. This thermoelectric field, in turn, acts upon the charged colloidalparticle present in the solution. Thus thermophoresis of the particle comprises of anelectrophoretic motion in the thermoelectric or Seebeck field. As an important result,we derive how the corresponding velocity of a colloidal particle depends upon thecolloidal volume fraction or on molecular weight for polymers. In a second part, westudy the thermoelectric effect due to a hot colloidal particle where a radialtemperature gradient is produced by the particle itself. In this temperature gradientthe same Seebeck effect takes place in the electrolyte solution. We find that the hotparticle carries a significant amount of charge around it. Whereas the amount ofsurface charges present at the boundaries of the sample container in the onedimensionalcase is rather insignificant. Possible applications of this thermochargingphenomenon are also discussed.

La cellule photovoltaïque à porteurs chauds est un dispositif de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique dont les rendements théoriques approchent les 86%. Additionnellement à une cellule photovoltaïque standard, ce dispositif permet de convertir l’excédent d’énergie cinétique des porteurs photogénérés, en énergie électrique. Pour cela, le phénomène de thermalisation doit être réduit et des contacts électriques sélectifs en énergie ajoutés. Afin de déterminer les performances potentielles des absorbeurs, tout en surmontant le défi de fabrication des contacts électriques sélectifs, un montage et une méthode de cartographie d’intensité absolue de photoluminescence résolue spectralement ont été utilisés. Ceci a permis d’obtenir la température d’émission et la séparation des quasi-niveaux de Fermi, les deux grandeurs thermodynamiques caractéristiques de la performance des absorbeurs. Dans cette étude, des absorbeurs à base de puits quantiques d’InGaAsP sur substrat d’InP sont utilisés. Les grandeurs thermodynamiques sont estimées et la technique de caractérisation utilisée permet l’accès à des grandeurs tel que le facteur de thermalisation mais aussi un coefficient thermoélectrique, appelé photo-Seebeck. L’analyse quantitative de porteurs chauds dans des conditions pertinentes pour le photovoltaïque est une première ; le dispositif étudié permettrait de dépasser la limite de Schockley-Queisser. Enfin, le dispositif étant muni de contacts des caractérisations électriques sont faites et comparé aux mesures optiques. Afin de mieux comprendre l’évolution des grandeurs thermodynamiques étudiées, une première simulation est proposée. / The hot carrier solar cell is an energy conversion device where theoretical conversion efficiencies reach almost 86%. Additionally to a standard photovoltaic cell, the device allows the conversion of kinetic energy excess of photogenerated carriers into electrical energy. To achieve this, the thermalisation process must be limited and electrical energy selective contacts added. In order to determine potential absorber performances and overcome the fabrication challenge of energy selective contacts, a set-up and the related method of mapping absolute photoluminescence spectra were used. This technique allows getting quasi-Fermi levels splitting and temperature of emission, both thermodynamic quantities characteristic of the performance of the absorbers. In this study, absorbers based on InGaAsP multiquantum wells on InP substrate were used. The thermodynamic quantities are determined and allow to access at quantities such as thermalisation rate but also a thermoelectric coefficient, so-called Photo-Seebeck. The quantitative analysis of the hot carriers regime, in relevant conditions for photovoltaic is a first: the analysed device indicates a potential photovoltaic conversion over the Schockley-Queisser limit. At last, as the device is supplied with electrical contacts, electrical characterization are made and compared to optical measurements. A first simulation is proposed to better understand the thermodynamic quantities evolution as a function of the electrical bias.

Au cours de cette étude, nous avons fait la synthèse des théories qui ont pour objet d'améliorer les thermoéléments. Nous avons ensuite étudié les propriétés thermoélectriques des composés ternaires AgTlSe, AgTlTe, AgTl_0,95TeSn_0,05 et AgTlTe_1-xSe_x avec x= 0,1 ; 0,2 et 0,3. Ces composés ont une température de fusion voisine de 500°C. C'est donc dans la même zone de température que les alliages à base de tellurure de bismuth qu'ils pourraient être utilisés comme thermoéléments. Tous les échantillons étudiés étaient de type p. Les propriétés que nous avons déterminées nous ont permis d'estimer le facteur de mérite thermoélectrique maximal que l'on peut obtenir avec chacun de ces matériaux en le dopant convenablement. Il ressort immédiatement que AgTlTe est le composé le plus intéressant, ou plutôt celui qui permet les plus grands espoirs. L'estimation que nous avons obtenue pour son facteur de mérite maximal est en effet très élevée : Elle se situe à température ambiante 20% au-dessus du facteur de mérite du meilleur élément de type p que nous connaissions : (Bi₂Te₃)₉₀(Bi₂Se₃)₅(Sb₂Se₃)₅. Par rapport à ce dernier les propriétés électriques ne sont pas très favorables mais par contre la conductibilité thermique de AgTlTe est 4 fois plus faible. Notre estimation est une indication fort encourageante pour la poursuite de cette étude. Toutefois elle ne permet pas encore d'affirmer que l'on pourra, avec AgTlTe, améliorer le rendement des dispositifs thermoélectriques existants. En effet, il suffirait d'une erreur de 10% sur la mesure du coefficient de Seebeck pour modifier l'estimation d'un facteur 2. Une telle sensibilité doit nous inciter à la plus grande prudence dans nos affirmations. De plus, en s'approchant du dopage optimum plusieurs facteurs peuvent aussi bien améliorer que détériorer les propriétés du matériau (changement de mode de diffusion des porteurs ...). Ainsi notre estimation suppose que l'on puisse ajuster le dopage, ce qui nécessite de trouver des impuretés dont la solubilité dans AgTlTe soit suffisante. Pour AgSbTe₂ par exemple, cela n'a pas été possible alors que ce composé était très prometteur. Un programme actuellement en cours pour étudier l'influence d'une quinzaine d'impuretés différentes devrait permettre d'élucider ce point. Le principe de notre estimation est d'évaluer le rôle du dopage sur le facteur de mérite. Mais il existe d'autres facteurs sur lesquels on peut agir pour l'améliorer. Ainsi a-t-on souvent recours aux solutions solides pour diminuer la conductibilité thermique. Par exemple Bi₂Te₃ optimisé possède à température ambiante un facteur de mérite Z de 0,66 10^-3K^-1 alors que par l'adjonction de 5% de Sb₂Te₃ et 5% de Sb₂Se₃ il atteint 3,4 10^-3K^-1. En ce qui concerne AgTlTe cette voie ne semble pas prometteuse car sa conductibilité thermique est déjà extrêmement faible et ne pourra sans doute pas être beaucoup diminuée. Par contre d'autres alliages pourraient permettre d'augmenter la mobilité des porteurs, qui dans AgTlTe est assez faible. Ces indications pourront servir de ligne directrice pour la poursuite de cette étude qui comprendra donc deux volets : (¤) Recherche de dopants et optimisation du dopage deAgTlTe. (¤) Recherche de matériaux voisins de AgTlTe possédant de meilleures propriétés électriques. Ces matériaux pourraient être recherchés parmi les solutions solides comportant CuTlTe. Par ailleurs, il sera utile de préciser la nature de la transformation que nous avons rencontrée à plusieurs reprises. Finalement, nous avons montré que le composé AgTlTe serait susceptible de supplanter les alliages à base de tellururede bismuth. Le travail qui reste à accomplir est important mais nous pouvons espérer qu'il débouchera sur un élargissement de l'utilisation des thermoéléments.

Ce mémoire de thèse porte sur l'exploitation de l'effet Seebeck pour la caractérisation thermo-physique des matériaux thermoélectriques (TE) solides et liquides. Lors de travaux récents au sein du laboratoire, la technique photothermoélectrique (PTE) a été développée pour la caractérisation thermique de matériaux TE solides de faibles conductivités électriques. Dans ce travail, l'utilisation de cette technique a été généralisée à tous les matériaux TE solides (de faibles ou de hautes conductivités électriques). Cela est rendu possible par la prise en compte de la nature gaussienne de l'excitation thermique modulée à laquelle le matériau est soumis ainsi que par la compréhension des effets de couplage des mécanismes de transport thermique et électrique dans les matériaux TE. Dans cette thèse, plusieurs matériaux thermoélectriques solides ont été étudiés : le trisulfure de titane (TiS₃), les oxydes types Bi₂Ca₂Co₁,₇Oₓ, le séléniure du tellurure de bismuth (Bi₂Te₂,₄Se₀,₆). La tension auto-induite par effet Seebeck a été aussi exploitée pour la détection des transitions de phases que présentent certains matériaux thermoélectriques, ici le cas du séléniure de cuivre a été étudié. Une nouvelle procédure qui permet de déterminer l'évolution de la diffusivité thermique d'un matériau TE en fonction de la température est présentée. En plus des matériaux TE solides, la technique PTE a été étendue à l'étude des matériaux thermoélectriques liquides (LTE). Un modèle théorique qui décrit le signal délivré par un matériau LTE soumis à une excitation thermique périodique a été développé. Ensuite, une étude de l'évolution des propriétés thermiques d'un matériau LTE en fonction de la concentration d'un soluté a été réalisée. Enfin, l'approche dite de cavité résonnante d'ondes thermiques (TWRC) a été utilisée pour investiguer thermiquement des matériaux LTE. À notre connaissance, c'est la première fois que l'approche TWRC est utilisée pour l'analyse du signal généré par un liquide thermoélectrique. L'utilisation des LTE comme capteurs thermiques a été aussi abordée dans ce travail. / The use of the self-induced Seebeck effect in thermophysical characterization of solid and liquid thermoelectric (TE) materials is described in this manuscript. In previous works, the photothermoelectric technique (PTE) has been developed in our laboratory for the thermal characterization of solid TE materials having low electrical conductivities. In this work, we first generalized the use of the PTE technique to all solid thermoelectric materials (with high or low electrical conductivities). This is achieved by taking into account the Gaussian shape of the thermal source exciting the material as well as by the understanding of the coupling effects between thermal and electrical transport mechanisms when a TE material is submitted to a modulated thermal excitation. In this thesis, several solid thermoelectric materials were studied : Titanium trisulfide (TiS₃),Bi₂Ca₂Co₁,₇Oₓ oxydes and Bismuth Selenido-telluride (Bi₂Te₂,₄Se₀,₆). Then, the self-induced Seebeck voltage was used for the detection of phase transitions exhibited by certain thermoelectric materials. The case of the copper selenide (Cu₂Se) was studied. A new procedure allowing to follow the temperature dependance of the thermal diffusivity of solid TE materials is also presented. In this work, the PTE technique was extended to liquid thermoelectric (LTE) materials. Indeed, a theoretical model describing the signal delivered by a LTE material subject to a periodic thermal excitation has been developed. Then, a study of the evolution of the thermal properties of an electrolyte as function of a solute concentration was performed. Finally, the thermal-wave resonator cavity (TWRC) approach was used to characterize thermally LTE materials. As far as we know, this is the first method proposing a TWRC approach applied directly to the sensor itself. The use of LTE such as heat sensors was also addressed here.

Mise au point d'un appareillage permettant des études in situ de réactions solide-gaz dans une large gamme de températures; étude de différentes phases du système SrFeO3-y(y = 0,5-1) en fonction de la température et de la pression partielle d' oxygène; étude des composes du système SnF2 - SnF4 et établissement d' une corrélation entre les paramètres Mössbauer et les propriétés structurales.