Des chercheurs viennent de trouver un moyen de rendre l’énergie solaire nettement plus efficace. STEG signifie Générateur Thermoélectrique Solaire. L'appareil fonctionne selon un principe simple appelé effet Seebeck, selon lequel une différence de température entre deux conducteurs différents crée une tension.

Ghunlei Guo, chercheur à Rochester, utilise la lumière solaire artificielle pour tester son matériau STEG, gravé avec des milliers d'impulsions laser. J. Adam Fenster/Université de Rochester

En termes simples, un STEG est un appareil froid à une extrémité et chaud à l’autre, l’électricité circulant à travers un semi-conducteur entre les deux. Le STEG est un dispositif à semi-conducteurs sans pièces mobiles et, même si la partie chaude peut être chauffée par l'énergie solaire, il peut utiliser pratiquement n'importe quel type d'énergie thermique pour maintenir des températures élevées.

Bien que tout cela ressemble à une forme de production d’énergie passive, les STEG sont traditionnellement capables de convertir moins de 1 % de la lumière solaire en électricité. En comparaison, les cellules solaires à pérovskite/silicium ont atteint des taux de conversion d’énergie supérieurs à 30 %, et il semble peu probable que la STEG remplace les cellules solaires à pérovskite/silicium comme source légitime et répandue d’énergie propre à court terme.

Cependant, une nouvelle avancée réalisée par des chercheurs de l’Université de Rochester semble sur le point de changer cette perception. En étudiant les matériaux des deux côtés de la STEG, l’équipe a pu augmenter son efficacité dans la conversion de la chaleur solaire en électricité jusqu’à 15 %. L'étude, publiée dans la revue Light: Science and Applications, décrit cette percée qui, selon le co-auteur Chunlei Guo, constitue une rupture radicale avec les axes de recherche précédents.

"La communauté des chercheurs travaille depuis des décennies à l'amélioration des matériaux semi-conducteurs utilisés dans la STEG et a réalisé des progrès en termes d'efficacité globale", a-t-il déclaré. "Dans cette étude, nous n'avons même pas touché aux matériaux semi-conducteurs, mais nous nous sommes concentrés sur les côtés chauds et froids du dispositif. En combinant de meilleures propriétés d'absorption solaire et de piégeage de la chaleur du côté chaud avec une meilleure dissipation thermique du côté froid, nous avons obtenu des améliorations d'efficacité étonnantes."


L'équipe utilise un oscillateur laser pour générer des impulsions lumineuses afin de graver des nanostructures sur des générateurs thermoélectriques

Pour réaliser cette amélioration, Guo et son équipe ont commencé avec un métal noir unique inventé par son laboratoire en 2020. Pour créer le métal, ils ont d'abord utilisé du tungstène, puis l'ont sablé avec des impulsions laser femtoseconde (une série d'impulsions lumineuses ultra-courtes qui gravent la surface du métal). Non seulement cela transforme le tungstène en une couleur noire absorbant la chaleur, mais le placement des alvéoles créées au laser lui permet d'absorber plus de chaleur du soleil et de la retenir plus longtemps.

Ensuite, le fil de tungstène est recouvert « d'un morceau de plastique pour créer une serre miniature, comme celles d'une ferme », explique Guo. Cela retient mieux la chaleur.

Pour le côté froid du STEG, l’équipe a projeté un laser ultrarapide sur une feuille d’aluminium pour créer un dissipateur thermique doté d’excellentes propriétés de dissipation thermique. En fait, les chercheurs affirment que leur aluminium gravé dissipe la chaleur deux fois plus que l’aluminium ordinaire.


Gros plan sur du tungstène gravé J. Adam Fenster/Université de Rochester

Même s'il faudra peut-être un certain temps avant que la STEG ne fournisse de l'électricité à l'échelle du réseau, les chercheurs affirment que leur avancée - démontrée par l'alimentation d'un ensemble de lampes LED - pourrait être utilisée dans des applications nécessitant moins d'énergie, comme le travail dans l'Internet des objets, l'alimentation d'appareils portables ou l'alimentation en électricité de maisons individuelles dans les zones rurales.

Source : Université de Rochester