Thermoélectricité : des principes aux applications

On sait que l'énergie électrique peut-être produite directement à partir d'énergie mécanique (dynamos) ou, indirectement, à partir d'énergie thermique comme dans les centrales électriques, via le passage obligé par l'énergie mécanique (turbines). La thermoélectricité, dont nous parlons ici, concerne la conversion directe de la chaleur en électricité, grâce à l'utilisation de matériaux appropriés. Elle présente en outre, l'intérêt de concevoir des réfrigérateurs. La fin des années 1990 a été marquée par un regain d'intérêt pour la conversion d'énergie par effets thermoélectriques. Il existe trois effets thermoélectriques qui résultent du couplage entre les phénomènes de conduction électrique et thermique : les effets Seebeck, Peltier et Thomson. Ils furent découverts dans la première partie du XIX ^e siècle, mais ce n'est qu'à partir des années 1950 que ces effets ont été exploités pour produire du froid ou générer de l'électricité grâce au développement des semi-conducteurs et aux travaux de l'école de Leningrad sous la direction de Ioffe . Les convertisseurs d'énergie basés sur la technologie thermoélectrique présentent de nombreux avantages tels que l'absence d'organes mobiles et de fluide, la simplicité de mise en œuvre, une grande fiabilité et l'avantage d'être « propres » pour l'environnement. Les réfrigérateurs et les générateurs thermoélectriques sont utilisés dans des applications où leurs avantages compensent leur coût élevé et leur performance relativement faible. Ainsi, la réfrigération par effet Peltier connaît des débouchés dans les réfrigérateurs portatifs à usage domestique ou médical, dans la climatisation d'air (automobile…) et dans le refroidissement de composants pour l'opto-électronique (détecteurs infrarouges…). Des générateurs thermoélectriques ont été développés avec succès depuis 1962 pour alimenter sur de longues périodes (plus de 22 ans pour certaines missions) les sondes spatiales de la NASA (Voyager I et II, Galiléo, Cassini…). Dans le contexte actuel des besoins en nouvelles sources d'énergie, les générateurs thermoélectriques pourraient jouer un rôle croissant dans la production d'électricité à partir de sources de chaleur perdue (valorisation des effluents thermiques des pots d'échappement des voitures par exemple).

Cet article se propose de faire le point sur la thématique thermoélectrique. La première partie sera consacrée à des rappels sur les phénomènes de conduction électrique et thermique dans les solides. Les effets thermoélectriques seront ensuite présentés en partant de leur manifestation expérimentale. Une interprétation de ces effets sera ensuite proposée à partir de l'approche macroscopique, basée sur la thermodynamique irréversible, et microscopique, sur la base d'arguments intuitifs. Les bases de la conversion d'énergie à l'état solide par effets thermoélectriques seront discutées dans la troisième partie où nous introduirons le facteur de mérite adimensionnel qui permet de jauger la qualité des matériaux pour la conversion d'énergie. Enfin, la dernière partie de cet article sera consacrée aux matériaux conventionnels et aux nouvelles orientations qui ont été engagées récemment.