La récupération d’énergie occupe désormais une place essentielle dans la stratégie mondiale actuelle, notamment depuis la prise de conscience générale vis-à-vis des changements climatiques constatés depuis ces dernières années. Ainsi, par exemple, dans son nouveau paquet « énergie et changement climatique » de janvier 2007, la Commission Européenne a proposé de fixer, à l’échelle européenne, la part des énergies renouvelables à 20 % de la consommation globale de l’UE d’ici 2020.

Les énergies renouvelables comme l’énergie éolienne, l’énergie solaire, l’énergie hydroélectrique, la biomasse et la thermoélectricité peuvent jouer un rôle primordial dans l’atteinte de deux objectifs majeurs : la sécurité énergétique et le réchauffement climatique. En effet, ces énergies sont inépuisables et produisent moins d’émissions de gaz à effet de serre que les carburants fossiles. Depuis les crises de l’énergie des années 1970, plusieurs pays industriels ont entamé des programmes visant à mettre en place des solutions d’énergie renouvelable, mais les bas prix du pétrole, à cette époque, ont empêché les énergies renouvelables de se développer véritablement. Depuis, la hausse du prix du pétrole, ainsi que la possibilité de voir apparaître une taxe carbone européenne, ont remis à l’ordre du jour les politiques de développement des énergies renouvelables. Concernant la première, il est à noter, qu’en 2006, le prix du pétrole se situait aux environs des 75 USD, soit cinq fois plus qu’en 2001 ; les prix sont même repartis à la hausse en 2007, atteignant en septembre 2007, sur le marché américain, le record historique de 80 USD. Concernant la taxe carbone, elle a pour objectif de préparer notre société à un épuisement progressif et inéluctable des ressources en énergies fossiles, et de réduire les émissions de CO2, gaz à effet de serre, pour limiter les catastrophes promises par le réchauffement climatique.

Actuellement, l’énergie renouvelable assure 13.1 % de la fourniture totale d’énergie primaire mondiale et 17.9 % de la production électrique mondiale, selon l’Agence Internationale de l’Energie (AIE). Les perspectives énergétiques mondiales de l’AIE prévoient que la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie à l’échelle mondiale restera très stable à 14 % en 2030, et qu’elles devraient atteindre environ 25 % de la production électrique, toujours selon l’AIE.

Dans l’industrie automobile, par exemple, plus de 60 % du pétrole est consommé en perte thermique. A ce titre, les constructeurs automobiles s’inscrivent désormais dans de grands projets avec des objectifs clairement annoncés d’une diminution de 10 % de la consommation du pétrole remplacée par la récupération d’énergie thermoélectrique, d’ici les cinq prochaines années. A plus faibles dimensions, la récupération d’énergie thermoélectrique pour l’alimentation de composants électriques (capteurs autonomes, ventilateurs de refroidissement de processeur, microbatteries…) se développe considérablement : là encore, de grands projets se développent dans le monde de l’informatique avec pour objectif des rendements énergétiques minimaux. Dans ce cas, la miniaturisation des modules thermoélectriques est primordiale.

Ainsi, la thermoélectricité, ou conversion d’énergie à partir de la chaleur, fait partie de ces nouvelles sources d’énergies renouvelables. L’utilisation de modules thermoélectriques a, par ailleurs, déjà fait ses preuves, notamment comme production d’énergie électrique pour les sondes spatiales lointaines. De nos jours, la majorité des dispositifs thermoélectriques existants concernent des modules réalisés à partir de matériaux à base de Bi2Te3 solide et de ses dérivés. Mais ces matériaux ne sont à la fois ni biocompatibles (matériaux toxiques), ni intégrables à petite échelle (sous leur forme solide). Or ces deux points sont des aspects primordiaux en vue de transferts industriels. En effet, les coûts de fabrication restent actuellement relativement élevés à cause notamment de volumes de production trop bas et de rendement limité.

Ainsi, le développement de modules thermoélectriques à base de couches minces répond parfaitement à ces deux critères : en effet, l’utilisation de matériaux tels que le silicium et ses dérivés, ainsi que leur utilisation sous forme de couches minces par les techniques de la microélectronique (dépôts et caractérisations de films minces, étapes de photolithographie, traitements thermiques…) font partie intégrante du monde industriel et de la recherche. Néanmoins, à l’heure actuelle, très peu de dispositifs thermoélectriques utilisant ces deux aspects ont été développés, introduisant ainsi l’objectif de ces travaux.

La thermoélectricité a été découverte il y a presque deux siècles. En 1821, le physicien allemand Thomas Johann Seebeck découvre qu’un matériau soumis à un gradient de température voit se former, à ses extrémités, une différence de potentiel. Ce phénomène qui correspond bien à la découverte du courant thermoélectrique se produit dans un circuit fermé, formé de conducteurs différents et dont les jonctions sont à des températures différentes. L’explication par Seebeck de ce phénomène est erronée, mais les classements de matériaux qu’il a établis en fonction de ce que, actuellement, on nomme le pouvoir thermoélectrique sont tout à fait corrects. Seebeck ne manque pas de noter le phénomène provoqué par une différence de température le long d’un conducteur homogène ; ce phénomène sera redécouvert trente ans plus tard par William Thomson. Vers 1834, le scientifique français Jean Charles Peltier démontre le phénomène inverse : pour un courant appliqué à travers un solide, il y a déplacement de la chaleur d’une face à l’autre. Mais les explications de Peltier concernant le phénomène découvert sont incorrectes. En 1838, Heinrich Lenz explique la nature de l’effet Peltier : lorsqu’un courant électrique traverse un matériau en contact avec un deuxième matériau, il se produit un dégagement et réciproquement une absorption de chaleur à ses extrémités. Il a par ailleurs démontré cet effet en plaçant une jonction de deux fils métalliques faits de bismuth et d’antimoine dans une goutte d’eau. Quand un courant électrique passe dans un sens, l’eau gèle et quand le courant passe dans l’autre sens, la glace fond. Il faut attendre 1851 pour avoir, avec William Thomson, une vue d’ensemble convenable des trois effets thermoélectriques (effet Peltier, effet Seebeck et effet Thomson) et une formulation encore admise aujourd’hui. Le calcul des propriétés des circuits thermoélectriques a été effectué d’une manière satisfaisante, pour la première fois, par le scientifique allemand Edmund Altenkirch en 1909.

Enfin, un peu plus tard, dans les années 1950, la thermoélectricité progresse quand Abraham Ioffe découvre que les semiconducteurs dopés ont un effet thermoélectrique plus élevé que les autres matériaux.