L'Institut d'optique de l'Université de Rochester aux États-Unis a récemment annoncé que son équipe de recherche scientifique avait multiplié par 15 environ l'efficacité de la production d'énergie du générateur solaire thermoélectrique (STEG) grâce à des conceptions innovantes en matière de structure et de gestion thermique, apportant un espoir pratique à cette méthode d'utilisation de l'énergie solaire à long terme « sans amélioration ». Des recherches pertinentes ont été publiées dans la revue « Light : Science and Applications », montrant qu'une amélioration substantielle des performances de sortie peut être obtenue tout en augmentant le poids de l'appareil d'environ 25 % seulement.

Contrairement aux panneaux photovoltaïques domestiques qui convertissent directement les photons en énergie électrique, les générateurs solaires thermoélectriques utilisent la différence de température entre les « extrémités chaudes et froides » pour produire de l'électricité. Son mécanisme central est l'effet Seebeck dans les matériaux semi-conducteurs : lorsqu'une extrémité du dispositif est chauffée et que l'autre extrémité est maintenue à un niveau bas, la différence de température amène les supports à se déplacer directionnellement, générant ainsi un courant électrique. Cependant, pendant longtemps, le rendement de conversion photoélectrique des STEG existantes a été généralement inférieur à 1 %, ce qui est bien inférieur au rendement courant d'environ 20 % pour le photovoltaïque domestique sur les toits. Cet énorme écart rend difficile la compétitivité dans les applications pratiques.

L'équipe de l'Université de Rochester a souligné que dans le passé, la communauté de la recherche scientifique se concentrait principalement sur l'amélioration des matériaux semi-conducteurs au milieu du dispositif. Même si certains progrès ont été réalisés, l’amélioration globale de l’efficacité est très limitée. Guo Chunlei, directeur de la recherche et professeur d'optique et de physique, a déclaré que ces travaux touchaient à peine le corps du semi-conducteur, mais se concentraient sur les côtés « extrémité chaude » et « extrémité froide ». En renforçant l'absorption et l'isolation de la chaleur, ainsi que la dissipation de la chaleur, la différence de température a été doublée, entraînant ainsi des améliorations « étonnantes » de l'efficacité.

Au « point chaud », les chercheurs ont utilisé des lasers femtoseconde pour traiter des micro-nanostructures de surface sur des matériaux de tungstène ordinaires afin de les préparer à un absorbeur solaire sélectif (W-SSA). Cette surface métallique noire modifiée peut absorber plus de 80 % de la lumière solaire incidente à haute température tout en réduisant la perte de rayonnement infrarouge, conservant ainsi autant que possible l'énergie absorbée dans le système. Afin de réduire davantage la perte de chaleur par convection de l'air, l'équipe a encapsulé l'absorbeur dans une petite cavité en plastique, le rendant semblable à une « serre miniature ». On dit qu’il peut réduire les pertes de chaleur causées par la convection de plus de 40 %.

Au « bout froid », l’équipe a également utilisé des lasers femtoseconde pour effectuer un traitement microstructural sur l’aluminium et a construit un dissipateur thermique microstructuré (μ-dissipateur), ce qui a considérablement amélioré la capacité de dissipation thermique de l’appareil. Grâce à l'optimisation de la structure de surface, cette couche de dissipation thermique a été améliorée dans les dimensions de dissipation thermique par rayonnement et par convection. Ses performances globales de dissipation thermique sont environ deux fois supérieures à celles des dissipateurs thermiques en aluminium ordinaires, permettant à l'extrémité froide de maintenir une température plus basse.

En rendant l'extrémité chaude plus chaude et l'extrémité froide plus froide, la différence de température entre les deux extrémités de l'ensemble du générateur thermoélectrique solaire est considérablement augmentée et la production d'électricité est considérablement augmentée. Des démonstrations expérimentales montrent que le STEG amélioré est suffisant pour amener les LED à émettre de la lumière plus efficacement. Par rapport aux appareils précédents, la luminosité et la stabilité de la source lumineuse sont considérablement améliorées, vérifiant ainsi la faisabilité de l'idée de conception.

Guo Chunlei a déclaré que le potentiel de cette technologie dans les applications pratiques va au-delà du remplacement d'une partie de la production d'énergie photovoltaïque. À l'avenir, il devrait fournir des solutions d'alimentation électrique à long terme et nécessitant peu de maintenance pour les réseaux de capteurs sans fil, les appareils électroniques portables et certains capteurs médicaux, particulièrement adaptées aux scénarios nécessitant une alimentation continue allant du microwatt au milliwatt. Le document mentionne également que de tels systèmes devraient jouer un rôle dans les zones reculées et rurales, en fournissant des options d'énergie renouvelable aux zones dépourvues de réseaux électriques stables, sans avoir à recourir à de grands panneaux photovoltaïques ou à des systèmes complexes de stockage d'énergie.

Malgré cela, l'équipe de recherche a également souligné que l'efficacité globale du générateur thermoélectrique solaire amélioré actuel est toujours inférieure à celle des cellules solaires traditionnelles en silicium cristallin ou à couche mince, et ne peut pas le remplacer à court terme. Cependant, cette recherche montre une direction importante : en optimisant l'ingénierie autour de la gestion thermique, plutôt que de « presser aveuglément du dentifrice » sur le matériau semi-conducteur lui-même, l'efficacité de l'utilisation de l'énergie solaire peut également être considérablement améliorée et ouvrir une nouvelle voie de développement pour la technologie de l'énergie solaire.