Effet photoélectrique et enjeux énergétiques

La nature de la lumière fut l'objet d'un intense débat historique. Aujourd'hui, on s'accorde à dire que la lumière est à la fois une onde et un flux de photons.

Son énergie E est égale à :

• Émission
  Lorsqu'une entité chimique passe d'un niveau d'énergie initial E_\mathrm{n} à un état d'énergie final inférieur E_\mathrm{m}, alors elle émet un photon, dont l'énergie est égale à la différence d'énergie \Delta E=\left|E_{\mathrm{m}}-E_{\mathrm{n}}\right|.


• Absorption
  Lorsqu'une entité chimique absorbe un photon, alors son énergie passe d'un niveau d'énergie initial E_\mathrm{m} à un état d'énergie final supérieur E_\mathrm{n}.

L'intensité d'un faisceau monochromatique dépend du nombre de photons présents dans le faisceau.
Un faisceau sera d'autant plus intense qu'il comportera un grand nombre de photons.

• Conversion d'unités : 1 eV =1{,}60 \times 10^{-19} J

Lorsqu'un photon entre en collision avec un électron présent dans un métal, il lui transmet son énergie et disparaît. Si cette énergie est suffisamment grande, alors l'électron est éjecté du cortège électronique de l'atome.
L'énergie minimale nécessaire pour éjecter un électron situé à la surface du métal est appelé travail d'extraction \varPhi. Si l'énergie du photon est supérieure au travail d'extraction, alors le surplus d'énergie fourni est converti sous forme d'énergie cinétique E_\mathrm{c} acquise par l'électron.

La fréquence seuil \nu_0 est la fréquence minimale du rayonnement incident permettant d'extraire un électron.

Théoricien de l'effet photoélectrique, Albert Einstein est le premier physicien à avoir proposé une explication du phénomène avec le concept des photons.
Ces travaux lui valurent l'attribution du prix Nobel en 1921.

Les cellules photovoltaïques fonctionnent grâce à l'effet photoélectrique. Les photons reçus par les cellules transmettent leur énergie aux électrons du panneau. La fréquence du rayonnement reçu par le panneau doit être assez grande pour que l'énergie d'un photon soit au moins égale au travail d'extraction du matériau constitutif du panneau :

• plus l'intensité du rayonnement reçu est grande, plus le nombre d'électrons mis en mouvement est important ;
• plus la fréquence du rayonnement reçu est grande, plus la vitesse de ces électrons est grande.

Aujourd'hui, les panneaux photovoltaïques commercialisés sont majoritairement fabriqués en silicium polycristallin ou monocristallin. Ces derniers ont un rendement un peu meilleur que les premiers.


Les panneaux possèdent le grand avantage de produire de l'électricité à partir d'une ressource énergétique renouvelable : le rayonnement provenant du Soleil. Cependant, cette ressource est intermittente et il est donc souvent nécessaire de coupler les panneaux à une batterie.
De plus, les panneaux fournissent un courant électrique continu. Cette contrainte implique d'associer un onduleur pour obtenir un courant alternatif adapté à la plupart des appareils électriques d'une habitation.

Caractéristiques de cellules photoélectriques en fonction de la puissance lumineuse surfacique reçue \varphi.

Retrouvez plus d'informations sur

les matériaux semi‑conducteurs comme le silicium.

Le rendement \eta d'une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport de la puissance électrique utile produite P_\mathrm{u} par la puissance lumineuse (ou radiative) reçue P_\mathrm{r} :

La puissance radiative P_\mathrm{r} reçue peut être mesurée à l'aide d'un solarimètre. La puissance électrique P_\mathrm{u} produite peut être déterminée en traçant la courbe P = f(U) de la cellule. Les rendements des panneaux actuellement vendus dans le commerce sont de l'ordre de 20 %.

Le développement des technologies liées à la production d'énergie électrique grâce aux ressources renouvelables a connu un essor considérable depuis le début du siècle. C'est notamment le cas des panneaux photovoltaïques qui permettent aux particuliers de produire totalement ou en partie l'énergie qu'ils consomment.