La thermoélectricité est une science remise au goût du jour depuis quelques années en tant que source de récupération d'énergie. Dans cette optique, l'étude et la conception de dispositifs thermoélectriques à base de films minces se justifient parfaitement : en effet, les faibles dimensions de ces modules, de l'ordre du cm2, permettent leur intégration et leur utilisation dans des domaines nombreux et variés, tels l'industrie automobile, l'environnement du corps humain, l'alimentation de capteurs sans fil... Ainsi, ces travaux ont permis la réalisation et la caractérisation de plusieurs modules, composés de matériaux de différente nature, et de diverses géométries. Pour cela, le développement des procédés de calibration de couches minces, à la fois de matériaux semimétalliques, en bismuth et antimoine, mais aussi de matériaux semiconducteurs, en silicium et silicium-germanium, a été étudié et optimisé. De plus, l'utilisation de matériaux nanostructurés permet une amélioration des performances thermoélectriques via notamment une diminution de la conductivité thermique. Dans ce cadre, une étude théorique sur les transports électriques et thermiques dans les nanostructures, complémentée de mesures expérimentales sur des superréseaux Si/SiGe, ont permis de valider ces propos et de justifier leur intégration au sein de dispositifs thermoélectriques.

Les générateurs thermoélectriques (TEG), associant des modules thermoélectriques à des échangeurs de chaleur adaptés, permettent de produire de l’électricité à partir d’une source chaude et d’une source froide. Leur utilisation, réservée actuellement à des applications de niche, va s’avérer judicieuse pour différentes applications industrielles ou domestiques en raison de la disponibilité imminente de nouveaux matériaux thermoélectriques permettant des rendements améliorés et des coûts moindres. Pour rendre plus attractive l’utilisation des TEG et améliorer le rendement global des futures installations, une conception et une utilisation optimisées sont indispensables.La conception de TEG performants nécessite le développement de modèles numériques intégrant tous les éléments de la chaîne énergétique (source chaude, source froide, échangeurs, convertisseurs électriques). L’objectif de la thèse est de créer un outil de simulation du fonctionnement des générateurs sur l’ensemble du cycle de production de chaleur et donc sur des fonctionnements réels dépendant du temps. Le modèle développé en 3D pour les transferts de chaleur prend en compte la dépendance à la température des propriétés des matériaux et l’effet Thomson pour le modèle thermoélectrique.La validation de cet outil de simulation a nécessité la comparaison des prédictions du modèle à des résultats expérimentaux. Un dispositif expérimental a été complété et amélioré afin de mieux répondre aux attentes des études en régime instationnaire. Ce banc d'essai permet d'effectuer des tests avec différentes configurations de générateur thermoélectrique et différentes conditions de fonctionnement. Le modèle a montré une estimation correcte des températures du système et de la production électrique du TEG. Le modèle numérique est validé et peut être utilisé pour la prédiction du fonctionnement d’un TEG dans diverses conditions. / Thermoelectric generators (TEG), combine thermoelectric modules with heat exchangers, making it possible to produce electricity from a hot source and a cold source. Their use, which is currently reserved for niche applications, will prove useful for various industrial or domestic applications due to the imminent availability of new thermoelectric materials allowing improved yields and lower costs. To make the use of TEGs more attractive and to improve the overall efficiency of future installations, optimized design and use are essential.The high-performance TEG design requires the development of numerical models integrating all the elements of the energy chain (hot source, cold source, exchangers, electric converters).The aim of the thesis is to create a tool for simulating the operation of generators over the entire heat production cycle and thus on real time-dependent operations. The model developed in 3D for heat transfer takes into account the temperature dependence of the properties of the materials and the Thomson effect for the thermoelectric model.The validation of this simulation tool required the comparison of model predictions with experimental results. An experimental device has been completed and improved to match better the expectations of unsteady studies. This test bench allows testing with different thermoelectric generator configurations and different operating conditions.The model showed a correct estimation of system temperatures and electrical output of TEG. The numerical model is validated and can be used to predict the operation of a TEG under various conditions.