fr.wedoany.com Rapport : L'équipe de recherche de l'Université de Rochester a multiplié par 15 la puissance de sortie d'un dispositif thermoélectrique solaire (STEG) dans l'air ambiant, par rapport à une conception traditionnelle, en repensant la structure de gestion thermique sans modifier les matériaux semi-conducteurs. Les résultats ont été publiés dans la revue Light: Science and Applications.
Les générateurs thermoélectriques solaires exploitent l'effet Seebeck en chauffant un côté tout en maintenant l'autre côté froid pour générer un courant électrique, sans pièces mobiles ni réactions chimiques. Ils peuvent utiliser des sources de chaleur telles que la chaleur perdue industrielle, la chaleur corporelle ou le rayonnement solaire diffus. Cependant, l'efficacité des conceptions standard pour convertir l'énergie solaire en électricité en plein air reste inférieure à 1 % depuis longtemps, alors que l'efficacité des panneaux solaires classiques sur les toits est d'environ 20 %. Bien que des dispositifs de laboratoire complexes puissent légèrement améliorer l'efficacité grâce à des systèmes sous vide, les performances des dispositifs quotidiens stagnent.
L'équipe du professeur Chunlei Guo de l'Institut d'optique de l'Université de Rochester a changé d'approche en se concentrant non plus sur les matériaux semi-conducteurs, mais sur la gestion thermique globale du dispositif. L'équipe estime qu'en améliorant la capacité d'absorption et de rétention de chaleur du côté chaud, tout en augmentant l'efficacité de dissipation thermique du côté froid, il est possible d'accroître la différence de température entre les deux extrémités du dispositif, générant ainsi plus d'électricité. Cette stratégie à double volet contourne complètement l'amélioration de la couche semi-conductrice.
Du côté chaud, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser femtoseconde pour graver des structures nanométriques sur une surface de tungstène, produisant ce qu'ils appellent un « métal noir ». Cette surface absorbe sélectivement la lumière aux longueurs d'onde solaires, réduisant les pertes de chaleur dans d'autres bandes. Une feuille de plastique transparente est ensuite placée sur le métal noir, créant un effet de serre miniature qui augmente encore la température du côté chaud en réduisant les pertes par convection et conduction. Du côté froid, le laser femtoseconde est utilisé pour traiter de l'aluminium ordinaire, les microstructures gravées formant un dissipateur thermique par rayonnement et convection, doublant ainsi les performances de refroidissement d'un dissipateur en aluminium standard.
Grâce à cette conception, la puissance générée par le dispositif STEG est 15 fois supérieure à celle d'un dispositif de base traditionnel. L'équipe a validé ce résultat par une démonstration pratique en alimentant une LED. Bien que l'efficacité absolue ne puisse encore rivaliser avec les panneaux photovoltaïques commerciaux, cette avancée prouve qu'une amélioration significative des performances des STEG est possible dans un environnement non sous vide et à l'air libre. La recherche a été financée par la National Science Foundation, FuzeHub et le Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence.
L'équipe de recherche indique que cette technologie pourrait être appliquée aux capteurs sans fil de l'Internet des objets, aux dispositifs portables exploitant la chaleur corporelle, ainsi qu'aux systèmes énergétiques hors réseau dans les zones rurales dépourvues de couverture électrique. Comme les STEG n'exigent pas de lumière directe du soleil, tout gradient de température peut les faire fonctionner. Actuellement, ces résultats en sont encore au stade de la preuve de concept, et une amélioration supplémentaire de l'efficacité est nécessaire avant une commercialisation à grande échelle. Ce travail ouvre une nouvelle voie de recherche dans le domaine de la thermoélectricité solaire en démontrant l'efficacité de la voie de gestion thermique.
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