Les thermoelectriques de nouvelle génération offrent un gain de 15 fois dans la production solaire

Comme l’énergie renouvelable provient de ressources naturelles et se renouvelle, elle peut aider à réduire notre dépendance aux combustibles fossiles, à lutter contre le changement climatique et à répondre à notre besoin d’un avenir énergétique durable.

Ces sources d’énergie abondantes, naturellement renouvelées et à faibles émissions comprennent le soleil, le vent, l’eau, la biomasse et la chaleur géothermique.

Parmi celles-ci, l’énergie solaire est la principale source d’énergie renouvelable. Avec le soleil comme source d’énergie infinie, l’énergie solaire est inépuisable, ce qui en fait la source d’énergie renouvelable la plus abondante disponible.

En 2024, la puissance solaire mondiale a atteint un niveau record, avec des installations dépassant 600 GW, soit une hausse de 33 % par rapport à l’année précédente, représentant 81 % de toute la nouvelle capacité d’énergie renouvelable dans le monde. En conséquence, l’énergie solaire représentait environ 7 % de l’approvisionnement électrique mondial, doublant presque sa part dans le mix électrique en seulement trois ans.

L’Agence internationale de l’énergie (AIE) s’attend en fait à ce que les photovoltaïques solaires (PV) deviennent la plus grande source d’énergie renouvelable d’ici 2029, grâce à des politiques réglementaires favorables et à la forte baisse du coût de l’électricité produite par les panneaux solaires. 

Une cellule PV ou une cellule solaire est un dispositif qui convertit directement la lumière du soleil en énergie électrique. Certaines cellules peuvent même convertir la lumière artificielle en électricité. Cependant, elles ne sont pas exemptes de problèmes. L’une des principales limites d’une cellule PV est sa température, qui affecte de manière significative son efficacité de conversion.

Ceci est l’endroit où une autre technologie largement utilisée, le thermoélectrique solaire (TE), entre en jeu. 

Aller au-delà des PV solaires vers les générateurs thermoélectriques solaires (STEGs)

Un générateur thermoélectrique (TEG) peut relever le défi de l’efficacité de conversion des cellules PV en convertissant la chaleur perdue en énergie électrique.

Les TEG sont reconnus pour leur grande fiabilité, leur longue durée de vie et l’absence de pièces mécaniques mobiles, ce qui en fait une option viable et prometteuse pour l’intégration avec les cellules PV dans des applications à haute température.

Également appelé générateur Seebeck, un générateur thermoélectrique (TEG) est un dispositif qui convertit la chaleur directement en électricité grâce à l’effet Seebeck.

Dans cet effet, une différence de température entre deux conducteurs ou semi-conducteurs différents génère une tension, due au déplacement des porteurs de charge. 

Lorsque la chaleur est appliquée à l’un des conducteurs ou semi-conducteurs, les électrons se déplacent vers l’extrémité la plus froide, créant une différence de potentiel. Si le dispositif est relié à un circuit, le courant continu y circule.

Ainsi, sur la base de l’effet Seebeck, les matériaux TE génèrent une tension lorsqu’ils sont soumis à une différence de température entre leurs extrémités. Lorsqu’ils sont placés entre un absorbeur solaire et un dissipateur de chaleur afin d’établir une différence de température et de produire de l’énergie, ils sont appelés générateurs thermoélectriques solaires (STEGs).

L’efficacité de conversion thermique-électrique de ces STEGs est déterminée par le facteur de performance sans dimension (ZT) du matériau TE et par la différence de température entre le côté chaud et le côté froid du dispositif.

En conséquence, les absorbeurs solaires des STEGs possèdent une bande d’absorption beaucoup plus large, permettant d’utiliser l’énergie photonique de l’ensemble du spectre solaire, contrairement aux PV solaires qui ne peuvent exploiter qu’une bande étroite proche du gap du semi-conducteur. Cependant, leur efficacité thermoélectrique est très faible.

Comme le souligne la recherche la plus récente, la valeur ZT du matériau TE reste autour de un, même après des décennies de recherche intensive. Le ZT est une métrique clé pour évaluer les performances des matériaux thermoélectriques, une valeur ZT plus élevée indiquant un matériau thermoélectrique plus efficace pour générer de l’électricité à partir d’une différence de température donnée.

Le manque de matériaux thermoélectriques (TE) à haute efficacité et de dissipateurs de chaleur compacts limite l’adoption commerciale des STEGs.

Pour répondre à ces problèmes, une équipe de chercheurs a développé une stratégie pouvant augmenter la production d’énergie d’un STEG de 15 fois tout en n’augmentant le poids que de 25 %.

Défis d’efficacité des STEG : le besoin de meilleurs absorbeurs & dissipateurs de chaleur

Les besoins énergétiques mondiaux augmentent rapidement, sous l’impulsion de la croissance démographique et économique. 

Selon l’AIE, la demande mondiale d’électricité a augmenté de 4,3 % en 2024, un fort bond par rapport à l’augmentation de 2,3 % en 2023.

Ainsi, à l’avenir, le monde aura besoin d’un approvisionnement énergétique toujours croissant, mais surtout d’énergie propre afin de lutter contre le changement climatique, réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) et atteindre l’indépendance énergétique.

Dans cette quête d’énergie propre durable, les chercheurs se sont tournés vers les générateurs thermoélectriques solaires (STEGs) comme source prometteuse de production d’électricité solaire, car ils peuvent exploiter non seulement la lumière du soleil mais aussi d’autres formes d’énergie thermique.

Actuellement, cependant, la plupart des STEGs convertissent moins de 1 % de la lumière solaire en électricité, alors que les systèmes de panneaux solaires résidentiels peuvent atteindre une efficacité de conversion de 15 % à 20 %.

Donc, pour réellement tirer parti de ces dispositifs, nous devons d’abord surmonter leurs limites d’efficacité.

Ce dont nous avons besoin, c’est de nouvelles méthodes pour améliorer la génération d’énergie des STEG. Les générateurs thermoélectriques solaires produisent plus d’énergie à des différences de température plus élevées, et cela peut être réalisé en maximisant l’absorption d’énergie solaire et en minimisant les pertes de chaleur du côté chaud tout en dissipant efficacement la chaleur du côté froid.

De plus, les STEGs pourraient s’avérer précieux pour alimenter les appareils électroniques portables, les capteurs médicaux, les réseaux de capteurs sans fil et les dispositifs avioniques.

Cependant, ces applications à haute densité de puissance nécessitent des absorbeurs solaires sélectifs légers (SSAs) pour le côté chaud et des dissipateurs de chaleur pour le côté froid. Afin d’exploiter la quantité maximale d’énergie solaire, l’absorbeur (SSA) doit présenter une forte absorption optique dans la gamme spectrale solaire (300–2500 nm) tout en maintenant une faible émissivité dans l’IR (2,5–20 μm) afin de minimiser les pertes radiatives.

Les performances optiques des absorbeurs peuvent être optimisées grâce à la conception structurelle et au choix des matériaux.

Cela comprend les absorbeurs plasmoniques, les absorbeurs à double couche céramique, les absorbeurs à film multicouche et les absorbeurs à cristal photonique. Cependant, malgré tous ces progrès, la plupart des absorbeurs nécessitent des équipements complexes et des processus de fabrication longs, ce qui limite leur mise à l’échelle à un coût abordable.

De plus, augmenter la puissance de sortie d’un STEG nécessite souvent des systèmes de refroidissement volumineux et complexes pour abaisser la température du côté froid et augmenter la différence de température, constituant ainsi un autre défi.

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Technologie du métal noir et lasers femtosecondes : une stratégie révolutionnaire

Pour surmonter les problèmes des STEG, les chercheurs de l’Institute of Optics de l’Université de Rochester ont développé une stratégie d’ingénierie spectrale et de gestion thermique qui a réduit le poids et augmenté la production d’énergie.

De nouvelles techniques pour créer cet appareil STEG plus puissant sont décrites dans une étude¹ publiée dans Light: Science and Applications.

« Depuis des décennies, la communauté de recherche se concentre sur l’amélioration des matériaux semi-conducteurs utilisés dans les STEG et n’a réalisé que des gains modestes en efficacité globale. »

– Chunlei Guo, professeur d’optique et physique et scientifique senior au Laboratoire d’Énergétique Laser.

Il a ajouté :

« Dans cette étude, nous ne touchons même pas aux matériaux semi-conducteurs ; nous nous sommes concentrés sur les côtés chaud et froid du dispositif. En combinant une meilleure absorption d’énergie solaire et un piégeage de chaleur du côté chaud avec une meilleure dissipation de chaleur du côté froid, nous avons réalisé une amélioration étonnante de l’efficacité. »

L’élément clé était la technologie du métal noir spécial. En 2020, la même équipe a montré qu’en utilisant un laser femtoseconde (fs), ce qui les a aidés à créer des structures métalliques indestructibles² quelques mois auparavant, ils pouvaient également développer des générateurs d’énergie solaire très efficaces³.

À l’époque, ils ont rendu la surface brillante et hautement réfléchissante d’un métal totalement noire, la qualifiant de technologie du métal noir. Avec des impulsions laser femtosecondes, ils peuvent rendre presque n’importe quel métal noir.

L’équipe a expérimenté le cuivre, l’acier, l’aluminium et le tungstène. Après un traitement avec des structures nanométriques, ils ont constaté que le tungstène présentait la plus haute efficacité d’absorption solaire. Ils ont pu augmenter l’efficacité de la production thermoélectrique de 130 % par rapport au tungstène non traité, qui est couramment utilisé comme absorbeur solaire thermique.

Ainsi, en s’appuyant sur cela, cette fois-ci, les chercheurs ont transformé un tungstène ordinaire (W) du côté chaud en un absorbeur (W-SSA) grâce à la technique de traitement au laser fs.

Le tungstène a été transformé en « métal noir » en rendant sa surface totalement noire, ce qui le rend très efficace pour absorber sélectivement la lumière aux longueurs d’onde solaires tout en réduisant la dissipation de chaleur à d’autres longueurs d’onde.

Cela a été réalisé grâce à une gravure ultra-rapide et précise, utilisant les puissantes impulsions laser fs, qui ont créé des structures nanométriques sur la surface du métal. Ainsi, au lieu de modifier les matériaux semi-conducteurs eux-mêmes, l’équipe a amélioré la façon dont le côté chaud absorbe la lumière solaire et retient la chaleur.

Une chambre de serre pour les absorbeurs solaires sélectifs en tungstène (W-SSA) a également été créée afin de réduire les pertes convectives.

Pour créer une mini-serre, comme sur une ferme, le métal noir a été recouvert d’un morceau de plastique. « Vous pouvez minimiser la convection et la conduction pour piéger davantage de chaleur, augmentant ainsi la température du côté chaud », a déclaré Guo. L’équipe a pu réduire les pertes de chaleur de plus de 40 %.

Parallèlement, du côté froid, la même technique laser a été utilisée pour transformer un aluminium (Al) ordinaire en un dissipateur de chaleur à capacité élevée avec de petites structures. Cela a créé un dissipateur thermique pour améliorer la dissipation de la chaleur par rayonnement ainsi que par convection. 

Les performances de refroidissement de l’aluminium traité étaient deux fois supérieures à celles d’un dissipateur thermique en Al ordinaire.

Dans tout cela, comme nous l’avons vu, la technique de traitement au laser fs a joué un rôle clé. Notamment, cette technique ne nécessite qu’une seule étape et est évolutive. Cette simple technique soustractive peut également être appliquée à une gamme de matériaux à géométrie complexe, tels que les polymères, le verre, les diélectriques, les semi-conducteurs et les métaux.

En tant qu’approche purement physique, elle est également plus respectueuse de l’environnement que d’autres méthodes. 

Le laser femtoseconde (un quadrillionième de seconde) a produit une gamme de microstructures sur l’aluminium et de nanostructures sur le tungstène.

Ensuite, l’optimisation de la taille et de la densité de ces structures a permis aux chercheurs d’augmenter l’absorption solaire du W tout en minimisant son émissivité IR du côté chaud. Ils ont obtenu une efficacité d’absorption supérieure à 80 % à des températures élevées.

Du côté froid, ils ont augmenté l’émissivité IR sur l’ensemble du spectre de rayonnement du corps noir pour l’aluminium et sa surface afin de dissiper la chaleur. Cela a considérablement amélioré l’efficacité de conversion solaire-thermique.

L’équipe a démontré comment leur générateur thermoélectrique solaire (STEG) peut être utilisé pour alimenter des LED beaucoup plus efficacement que les méthodes existantes.

La technologie, a noté Gao, pourrait également être utilisée pour alimenter des microdispositifs électroniques tels que les appareils portables, les appareils intelligents et les capteurs autonomes pour l’Internet des objets (IoT). De plus, elle peut servir de système d’énergie renouvelable hors réseau dans les zones éloignées et rurales.

Comme le souligne l’étude, les STEG peuvent également être utilisés en combinaison avec des dispositifs solaires avancés, tels que les systèmes hybrides PV-TE à séparation spectrale et les cellules solaires à colorant (DSC) à faible coût, qui peuvent générer de l’énergie sous des conditions de faible luminosité, améliorant ainsi la production d’énergie pour les applications à forte demande.

Investir dans l’énergie solaire

Dans le secteur des énergies renouvelables, Nextracker Inc. (NXT ) se distingue en tant qu’entreprise à forte croissance.

Avec une capitalisation boursière de 10 milliards de dollars, les actions NXT se négocient actuellement à 67,59 $, en hausse de 85 % cette année jusqu’à présent. La semaine dernière, les actions de la société ont atteint un nouveau sommet d’environ 69 $. À ce prix, son BPA (TTM) est de 3,67 et son PER (TTM) de 18,42. Il n’y a toutefois aucun rendement de dividende à percevoir.

Nextracker Inc. (NXT )

Nextracker est un fournisseur de plateformes technologiques solaires qui propose des solutions électriques, des suiveurs intégrés, ainsi que des systèmes d’optimisation du rendement et de contrôle. La technologie avancée de la société permet aux centrales solaires de suivre le mouvement du soleil dans le ciel et d’optimiser leurs performances.

Ses produits et services comprennent NX Foundation, NX Horizon, NX Navigator, NX Global, PowerworX, TrueCapture et Services Electrical Balance of System (eBOS).

Ce mois-ci, Nextracker a publié son rapport de durabilité, dans lequel il a indiqué avoir atteint un taux d’incidents enregistrables total (TRIR) de 0,61, dépassant l’objectif américain de sécurité opérationnelle de 1,2.

Nextracker a introduit les solutions NX Foundation pour améliorer le déploiement solaire sur tous les types de sol. Les systèmes de suiveur à faible carbone NX Horizon (LCT) ont également été lancés pour réduire les émissions de carbone (liées aux suiveurs) jusqu’à 35 %.

En ce qui concerne les émissions de GES et l’efficacité des ressources, la société s’est engagée à fixer des objectifs conformes au cadre mondialement reconnu (SBTi), a publié son premier indice de divulgation financière du climat par le groupe de travail (TCFD), a obtenu une assurance tierce pour ses données d’émissions de GES de portée 1 et 2, et a obtenu la certification ISO 14001 : 2015 pour le système de management environnemental aux États‑Unis.

La certification ISO 9001 a également été obtenue pour la gestion de la qualité des opérations aux États‑Unis, en Inde et au Brésil.

Dans ce contexte, Nextracker a récemment été choisi par l’une des plus grandes entreprises d’énergie renouvelable du pays d’Amérique du Sud. Casa dos Ventos l’a sélectionné pour fournir 1,5 GW de ses systèmes de suivi solaire pour leurs quatre nouveaux projets au Brésil. Ceux-ci comprennent des projets solaires et des projets hybrides solaire-éolien.

« Obtenir un engagement multi-projets d’un leader des énergies renouvelables comme Casa dos Ventos reflète l’importance croissante des partenariats de confiance en matière de performance et de fiabilité à long terme dans l’industrie solaire actuelle. »

– Alejo Lopez, vice-président, Nextracker Amérique latine

Nextracker a également collaboré avec l’UC Berkeley pour créer un nouveau centre de recherche (le CAL‑NEXT Center for Solar Energy Research) afin de faire progresser la technologie des centrales solaires et soutenir les futurs besoins énergétiques. La société a contribué à hauteur de 6,5 millions de dollars à cette initiative.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, fin du mois dernier, elle a publié les résultats du premier trimestre de l’exercice 2026, qui s’est terminé le 27 juin 2025. Au cours de cette période, elle a enregistré un chiffre d’affaires de 864 millions de dollars, en hausse de 20 % d’une année sur l’autre.

Le bénéfice brut GAAP a augmenté de 19 % d’une année sur l’autre pour atteindre 282 millions de dollars, tandis que le revenu d’exploitation GAAP a bondi de 16 % à 186 millions de dollars. Le bénéfice brut ajusté a progressé de 18 % à 285 millions de dollars, et l’EBITDA ajusté a augmenté de 23 % à 215 millions de dollars. Le carnet de commandes total de Nextracker pour cette période dépassait 4,75 milliards de dollars.
Elle a également déclaré un flux de trésorerie d’exploitation de 81 millions de dollars et 743 millions de dollars de liquidités à la fin du trimestre, sans dette. Au cours de ce trimestre, la société a investi 86,8 millions de dollars dans des acquisitions stratégiques pour soutenir de nouvelles initiatives de croissance.

« Nextracker a réalisé un autre trimestre solide sur tous les indicateurs financiers clés et a constaté une dynamique continue de part de marché. »

– Fondateur et PDG Dan Shugar

Le mois dernier, Nextracker a annoncé le lancement de son initiative commerciale en IA et robotique. « Faire évoluer le solaire pour répondre à la demande énergétique mondiale nécessite un nouveau niveau d’autonomie dans la façon dont nous construisons et exploitons les centrales, » a déclaré le nouveau directeur de l’IA et de la robotique, le Dr Francesco Borrelli.

Cela fait suite à un investissement de plus de 40 millions de dollars dans des acquisitions visant à améliorer le déploiement des centrales solaires, leur fiabilité et le retour sur investissement à long terme. Cela comprend OnSight Technology pour les systèmes d’arpentage autonome et d’alerte incendie, SenseHawk IP pour créer des cartes 3D haute résolution des sites de projets solaires, et Amir Robotics pour réduire les pertes de rendement liées au sol.

Selon Shugar :

« Avec des millions de capteurs et de nœuds de contrôle déjà déployés sur environ 100 GW de systèmes opérationnels dans 40 pays, Nextracker a une opportunité unique d’exploiter l’IA et la robotique à grande échelle. »

Dernières actualités et développements des actions Nextracker Inc. (NXT)

Conclusion

L’énergie solaire est l’une des méthodes les plus prometteuses et les plus propres pour alimenter le monde. Déjà, l’adoption des PV solaires progresse rapidement, mais bien sûr, le chemin vers les énergies renouvelables ne dépendra pas d’une seule technologie.

Les systèmes hybrides combinant photovoltaïques, thermoélectriques et nanomatériaux avancés seront essentiels pour l’avenir de l’énergie solaire. 

Alors que les inefficacités matérielles limitaient autrefois la technologie thermoélectrique solaire, elle franchit désormais les barrières grâce à des techniques novatrices de gestion thermique et de nanostructuration. La dernière percée dans les STEG montre que l’innovation au niveau des matériaux et de la structure, et non seulement les performances des semi-conducteurs, peut débloquer des gains d’efficacité impressionnants et aider à répondre à la hausse des besoins énergétiques.

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Références :

1. Xu, T., Wei, R., Singh, S.C., et al. Augmentation de 15 fois des performances du générateur thermoélectrique solaire grâce à l’ingénierie spectrale au laser femtoseconde et à la gestion thermique. Light: Science & Applications, 14, 268, publié le 12 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9
2. Zhan, Z., ElKabbash, M., Cheng, J., Zhang, J., Singh, S., & Guo, C. Assemblage métallique superhydrophobe très flottable pour applications aquatiques. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(51), 48512–48517, publié le 26 décembre 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
3. Jalil, S.A., Lai, B., ElKabbash, M., et al. Contrôle de l’absorption spectrale des métaux traités au laser femtoseconde et application dans les dispositifs solaires-thermiques. Light: Science & Applications, 9, 14, publié le 4 février 2020. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y