TP photovoltaique ONDES ET SIGNAUX – INTERACTION LUMIÈRE-MATIÈRE

« ONDES ET SIGNAUX – INTERACTION LUMIÈRE-MATIÈRE 18 P506 À CHAPITRE Spé Term RENDEMENT D’UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE Capacités exigibles : - Expliquer qualitativement le fonctionnement d’une cellule photoélectrique. - Déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque. - Citer quelques applications actuelles mettant en jeu l’interaction photonmatière. Lorsqu’elle est éclairée, une cellule photovoltaïque génère un courant électrique et une tension électrique entre ses bornes  Quelle est la caractéristique d’une cellule photovoltaïque et comment fonctionne-t-elle ? I. Etude préliminaire : photovoltaïque : semi-conducteur et cellule Spé Term MATERIEL : panneau photovoltaïque - 2 multimètres - 2 câbles de connexion - lampe de bureau - luxmètre - mètre ruban - logiciel Mu Les questions portent sur les documents en annexe 1.

D’après la théorie des bandes, pourquoi les métaux ont-ils des conductivités électriques élevées ? Dans la théorie des bandes, les électrons d’un solide occupent des bandes d’énergie.

Dans un métal, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent.Ainsi des électrons sont déjà libres de se déplacer sans apport d’énergie supplémentaire.

Sous l’effet d’un champ électrique, ces électrons circulent facilement dans le matériau, ce qui explique la forte conductivité électrique des métaux. 2.

Pourquoi un semi-conducteur constitué d’un monocristal de silicium a-t-il une conductivité quasi-nulle ? Un semi-conducteur comme le silicium possède une bande de valence complètement remplie et une bande de conduction vide, séparées par une bande interdite.

Pour qu’un électron participe à la conduction, il doit acquérir une énergie suffisante pour franchir cette bande interdite.

À température ambiante, l’agitation thermique ne fournit pas assez d’énergie pour réaliser cette transition, ce qui explique la conductivité quasi nulle du silicium pur. 3.

a.

Les principaux semi-conducteurs sont custitués de réseaux cristallins d’atomes de silicium ou de germanium.

Où sont situés ces éléments dans le tabeau périodique ? Où sont situés les métaux ? Le silicium et le germanium sont situés dans la colonne 14 du tableau périodique et appartiennent à la catégorie des métalloïdes, entre des métaux et des non-métaux.

Les métaux, quant à eux, se trouvent principalement à gauche et au centre du tableau périodique. b.

Rechercher dans la classification d’autres éléments que le bore ou le phosphore pouvant assurer un dopage de type p ou de type n. Pour un dopage de type p, on utilise des éléments possédant trois électrons de valence, soit tous les atomes de la 13ème colonne du tableau periodique, ce qui crée des lacunes.

Pour un dopage de type n, on utilise des éléments possédant cinq électrons de valence, soit tous les atomes de la 15 ème colonne du tableau periodique, qui apportent des électrons supplémentaires libres de se déplacer. 4.

A température ambiante, l’énergie d’agitation thermique est d’environ 25 meV.

Pourquoi, à cette température, un semi-conducteur dopé peut-il conduire le courant électrique ? Dans un semi-conducteur dopé, les niveaux d’énergie introduits par les impuretés sont très proches de la bande de conduction ou de la bande de valence.

Il suffit donc d’une faible énergie pour libérer des électrons ou combler des lacunes.

L’agitation thermique est alors suffisante pour permettre au matériau de conduire le courant électrique. 5.

Pourquoi la cathode d’une cellule photovoltaïque est-elle une grille et non une plaque comme l’anode ? Pourquoi utiliser des semi-conducteurs dopés ? La cathode est une grille afin de laisser passer la lumière jusqu’au semi-conducteur tout en permettant la collecte des électrons.

Une plaque pleine empêcherait la lumière d’atteindre le semi-conducteur et limiterait fortement la production d’électricité.

L’utilisation de semi-conducteurs dopés est essentielle car elle permet de créer une jonction p-n qui créé un champ électrique qui sépare les charges créées par l’absorption des photons et empêche leur recombinaison, créant un courant éléctrique. 6.

Soit h. l’énergie transportée par un photon, et Eg le « gap » de la bande interdite du silicium.

Quelle inégalité doit-il exister entre h.et Eg pour qu’un photon arrache un électron à un atome de silicium ? Pour qu’un photon puisse arracher un électron à un atome de silicium, son énergie doit être au moins égale à l’énergie de la bande interdite du matériau. hν ≥ E g Si cette condition n’est pas respectée, le photon n’a pas suffisamment d’énergie pour exciter un électron et aucune conduction ne peut se produire. II. - - - Caractéristique et rendement d’une cellule photovoltaïque : PROROCOLE : Réaliser le montage ci-contre et le faire vérifier. Eclairer au maximum la cellule photovoltaïque avec la lampe. Remplacer la cellule par le luxmètre en positionnant le capteur exactement à la même hauteur et mesurer l’éclairement E. Remettre la cellule en place et ne plus la déplacer. Ouvrir une feuille Excel et préparer deux colonnes I et U et le graphique I = f(U) de façon à ce que les points de mesure puissent s’afficher dès qu’ils sont entrés dans les cellules. Régler la taille de la marque : clic droit sur un point > mettre en forme une série de données > remplissage et trait > marque > options des marques > cocher « prédéfini » type rond taille 3 Faire varier la résistance du potentiomètre pour acquérir la caractéristique I = f(U).

Attention, I sera d’abord constant avant de baisser brusquement, c’est cette courbure qu’il sera 7.

Commenter l’allure de la caractéristique obtenue. Entre 0 et 1,25V, l’intensité est constante et à partir de 1,25V, on observe une rupture et l’intensité décroit et tend vers 0.

Cette forme caractéristique est dûe à la résistance variable. I = f(U) 70 Intensité (en mA) 60 50 40 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Tension (en V) 8.

La caractéristique d’un récepteur passe par l’origine, contrairement à celle d’un générateur : la cellule photovoltaïque est-elle un générateur ou un récepteur ? Sur le graphique on observe que la courbe ne passe pas par l’origine.

D’après la définition, le panneau photovoltaïque ne peut donc pas être un récepteur.

C’est un générateur. 9.

On note Icc l’intensité délivrée par la cellule en court-circuit, c’est-à-dire losque la tension à ses bornes est nulle.

Après avoir expliqué comment obtenir Icc, noter sa valeur et indiquer sa position sur le graphe. On sait que U = R x I.

On veut que la tension aux bornes de la cellule.... »