Des chercheurs du Laboratoire de physique appliquée Johns Hopkins (APL) à Laurel, dans le Maryland, ont mis au point une nouvelle technologie de réfrigération thermoélectrique à l’état solide, facile à fabriquer, avec des matériaux nanométriques, qui est deux fois plus efficace que les dispositifs fabriqués avec des matériaux thermoélectriques en vrac disponibles dans le commerce. À l’heure où la demande mondiale de solutions de refroidissement plus efficaces sur le plan énergétique, plus fiables et plus compactes augmente, cette avancée offre une alternative évolutive à la réfrigération traditionnelle à base de compresseurs.
Dans un article publié dans Nature Communications le 21 mai 2025, une équipe de chercheurs de l’APL et d’ingénieurs en réfrigération de Samsung Research a démontré l’amélioration de l’efficacité et de la capacité de pompage de la chaleur dans les systèmes de réfrigération grâce à des matériaux thermoélectriques de haute performance issus de la nano-ingénierie et inventés à l’APL, connus sous le nom de CHESS (controlled hierarchically engineered superlattice structures).
La technologie CHESS est le résultat de 10 années de recherche de l’APL sur les matériaux thermoélectriques nanométriques avancés et le développement d’applications. Initialement développé pour des applications de sécurité nationale, le matériau a également été utilisé pour des thérapies de refroidissement non invasives pour les prothèses et a remporté un prix R&D 100 en 2023.
« Cette démonstration réelle de réfrigération à l’aide de nouveaux matériaux thermoélectriques met en évidence les capacités des films minces CHESS nanotechnologiques », a déclaré Rama Venkatasubramanian, chercheur principal du projet commun et technologue en chef pour les thermoélectriques à l’APL. « Il s’agit d’une avancée significative dans le domaine de la technologie de refroidissement et d’une étape importante dans la transposition des progrès réalisés dans le domaine des matériaux thermoélectriques dans des applications de réfrigération pratiques, à grande échelle et efficaces sur le plan énergétique ».
Une nouvelle référence pour le refroidissement à l’état solide
La recherche de technologies de refroidissement plus efficaces et plus compactes est alimentée par divers facteurs, notamment la croissance démographique, l’urbanisation et une dépendance croissante à l’égard de l’électronique de pointe et de l’infrastructure de données. Les systèmes de refroidissement conventionnels, bien qu’efficaces, sont souvent encombrants, énergivores et dépendent de réfrigérants chimiques qui peuvent être nocifs pour l’environnement.
La réfrigération thermoélectrique est largement considérée comme une solution potentielle. Cette méthode refroidit en utilisant des électrons pour déplacer la chaleur à travers des matériaux semi-conducteurs spécialisés, éliminant ainsi le besoin de pièces mobiles ou de produits chimiques nocifs, ce qui rend ces réfrigérateurs de la prochaine génération silencieux, compacts, fiables et durables. Les matériaux thermoélectriques en vrac sont utilisés dans de petits appareils tels que les mini-réfrigérateurs, mais leur efficacité limitée, leur faible capacité de pompage de la chaleur et leur incompatibilité avec la fabrication de puces semi-conductrices évolutives ont toujours empêché leur utilisation plus large dans des systèmes à haute performance.
Dans cette étude, les chercheurs ont comparé les modules de réfrigération utilisant des matériaux thermoélectriques traditionnels en vrac avec ceux utilisant des matériaux à couches minces CHESS dans des tests de réfrigération normalisés, en mesurant et en comparant la puissance électrique nécessaire pour atteindre différents niveaux de refroidissement dans les mêmes systèmes de test de réfrigérateurs commerciaux. L’équipe de réfrigération de Samsung Research’s Life Solution Team, dirigée par le vice-président exécutif Joonhyun Lee, a collaboré avec l’APL pour valider les résultats grâce à une modélisation thermique détaillée, en quantifiant les charges thermiques et les paramètres de résistance thermique afin de garantir une évaluation précise des performances dans des conditions réelles.
Les résultats ont été frappants : En utilisant les matériaux CHESS, l’équipe de l’APL a obtenu une amélioration de près de 100 % de l’efficacité par rapport aux matériaux thermoélectriques traditionnels à température ambiante (environ 80 degrés Fahrenheit, ou 25 C). Ils ont ensuite traduit ces gains au niveau des matériaux en une amélioration de près de 75 % de l’efficacité au niveau des dispositifs dans les modules thermoélectriques construits avec les matériaux CHESS et une amélioration de 70 % de l’efficacité dans un système de réfrigération entièrement intégré, chacun représentant une amélioration significative par rapport aux dispositifs thermoélectriques en vrac de pointe. Ces essais ont été réalisés dans des conditions qui impliquaient des quantités importantes de pompage de chaleur afin de reproduire un fonctionnement pratique.
Construit à l’échelle
Au-delà de l’amélioration de l’efficacité, la technologie de couche mince CHESS utilise remarquablement moins de matériau – seulement 0,003 centimètre cube, soit environ la taille d’un grain de sable, par unité de réfrigération. Cette réduction de matière signifie que les matériaux thermoélectriques de l’APL pourraient être produits en masse à l’aide d’outils de production de puces à semi-conducteurs, ce qui permettrait de réduire les coûts et de généraliser l’adoption de cette technologie sur le marché.
« Cette technologie à couche mince a le potentiel de passer de l’alimentation de systèmes de réfrigération à petite échelle à des applications de chauffage, de ventilation et de climatisation de grands bâtiments, de la même manière que les batteries lithium-ion ont été mises à l’échelle pour alimenter des appareils aussi petits que des téléphones portables et aussi grands que des véhicules électriques », a ajouté M. Venkatasubramanian.
En outre, les matériaux CHESS ont été créés à l’aide d’un processus bien établi, couramment utilisé pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement qui alimentent les satellites et les lampes LED commerciales.
« Nous avons utilisé le dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD) pour produire les matériaux CHESS, une méthode bien connue pour son évolutivité, sa rentabilité et sa capacité à prendre en charge la fabrication de grands volumes », a précisé Jon Pierce, ingénieur de recherche principal qui dirige la capacité de croissance MOCVD à l’APL. « Le procédé MOCVD est déjà largement utilisé dans le commerce, ce qui le rend idéal pour augmenter la production de matériaux thermoélectriques en couches minces CHESS. »
Ces matériaux et dispositifs continuent d’être prometteurs pour une large gamme d’applications électroniques et de collecte d’énergie, en plus des récentes avancées dans le domaine de la réfrigération. L’APL prévoit de poursuivre son partenariat avec des organisations pour affiner les matériaux thermoélectriques CHESS, en mettant l’accent sur l’amélioration de l’efficacité pour se rapprocher de celle des systèmes mécaniques conventionnels. Les efforts futurs comprennent la démonstration de systèmes de réfrigération à plus grande échelle, y compris des congélateurs, et l’intégration de méthodes basées sur l’intelligence artificielle pour optimiser l’efficacité énergétique dans le refroidissement compartimenté ou distribué dans les équipements de réfrigération et de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC).
« Au-delà de la réfrigération, les matériaux CHESS sont également capables de convertir les différences de température, comme la chaleur corporelle, en énergie utilisable », a commenté Jeff Maranchi, responsable du domaine de programme Exploration au sein du domaine de mission Recherche et développement exploratoire de l’APL. « En plus de faire progresser les systèmes tactiles, les prothèses et les interfaces homme-machine de la prochaine génération, cela ouvre la voie à des technologies évolutives de collecte d’énergie pour des applications allant des ordinateurs aux engins spatiaux – des capacités qui n’étaient pas réalisables avec des dispositifs thermoélectriques plus anciens et plus encombrants. »
« Le succès de cette collaboration démontre que la réfrigération à semi-conducteurs à haute efficacité n’est pas seulement viable sur le plan scientifique, mais qu’elle peut être fabriquée à grande échelle », a conclu Susan Ehrlich, responsable de la commercialisation des technologies à l’APL. « Nous sommes impatients de poursuivre la recherche et les opportunités de transfert de technologie avec les entreprises, car nous nous efforçons de traduire ces innovations en applications pratiques dans le monde réel. »
Légende illustration : Jon Pierce, ingénieur de recherche principal à l’APL, examine une couche mince obtenue par dépôt chimique en phase vapeur d’un métal organique, une méthode bien connue pour son évolutivité, sa rentabilité et sa capacité à prendre en charge la fabrication de grands volumes. Crédit : Johns Hopkins APL/Craig Weiman
Article : « Nano-engineered thin-film thermoelectric materials enable practical solid-state refrigeration » – DOI : 10.1038/s41467-025-59698-y
