Enseignement scientifique Terminale - 2024
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Mes Pages
Sciences, climat et société
Ch. 1
L’atmosphère terrestre et la vie
Ch. 2
La complexité du système climatique
Ch. 3
Le climat du futur
Se préparer à l'évaluation - Thème 1
Le futur des énergies
Ch. 4
Deux siècles d’énergie électrique
Ch. 5
Conversion et transport de l’énergie électrique
Ch. 6
Énergie, développement et futur climatique
Se préparer à l'évaluation - Thème 2
Une histoire du vivant
Ch. 7
La biodiversité et son évolution
Ch. 8
L’évolution comme grille de lecture du monde
Ch. 9
L’évolution humaine
Ch. 10
Les modèles démographiques
Ch. 11
De l’informatique à l’intelligence artificielle
Se préparer à l'évaluation - Thème 3
Livret maths
Fiches méthode
Esprit critique et scientifique
Améliorer ses compétences
Fiches histoire
Annexes
Ch. 4
Activité 2 - documentaire
Capteur photovoltaïque
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Introduction
En quinze ans, la production d'électricité à partir d'énergie solaire a été multipliée par 100. Elle représente près de 4,5 % de la production mondiale d'électricité en 2022 et devra atteindre 23 % en 2030 pour respecter les accords de Paris.
Problématique
Quel est le principe de fonctionnement d'un capteur photovoltaïque ?
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- Spectres d'émission et d'absorption
- Structure électronique de l'atome
- Formes d'énergie
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Documents
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Doc. 1 Effet photoélectrique
Observé dès 1839, l'effet photoélectrique est un phénomène qui correspond à l'émission d'électrons lorsque
certains matériaux sont exposés à des ondes électromagnétiques, comme la lumière. Toutefois, il n'apparaît que
lorsque les ondes reçues par le matériau possèdent une
fréquence minimale, dite fréquence seuil. Max Planck et
Albert Einstein, en introduisant le concept de photon pour
qualifier la dualité onde-corpuscule de la lumière, ont associé cette fréquence seuil à une énergie minimale pour les
photons. L'existence de ce seuil de fréquence est l'une des
observations emblématiques de la physique quantique.
Max Planck
Albert Einstein
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Doc. 2 Conducteur, isolant et semi-conducteur
La matière possède des électrons. Certains sont appelés électrons libres car ils sont capables de se déplacer pour conduire
le courant électrique.
Les métaux possèdent des électrons libres. Dès que le matériau est soumis à une tension électrique, les électrons libres se déplacent et un courant électrique apparaît. Pour les matériaux isolants, il n'y a pas d'électrons libres, donc aucun courant ne peut circuler.
Certains matériaux, les semi-conducteurs, sont capables, sous l'effet d'une excitation externe (lumière, chaleur, etc.), de libérer certains électrons et d'adopter le comportement d'un matériau conducteur.
Wafer, fine tranche de matériau semi-conducteur
Les métaux possèdent des électrons libres. Dès que le matériau est soumis à une tension électrique, les électrons libres se déplacent et un courant électrique apparaît. Pour les matériaux isolants, il n'y a pas d'électrons libres, donc aucun courant ne peut circuler.
Certains matériaux, les semi-conducteurs, sont capables, sous l'effet d'une excitation externe (lumière, chaleur, etc.), de libérer certains électrons et d'adopter le comportement d'un matériau conducteur.
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Doc. 3 Cellule photovoltaïque à simple jonction
Schéma animé
Schéma statique
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Physique quantique : champ de la physique décrivant le comportement de la matière (atomes, électrons, molécules, etc.) et des ondes électromagnétiques ainsi que leurs interactions à l'échelle microscopique.
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Doc. 4 Spectre solaire
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Doc. 5 Spectre d'absorption de semi-conducteurs
Les semi-conducteurs absorbent le rayonnement électromagnétique différemment selon leur nature. Le graphique
ci-dessous présente l'évolution du coefficient d'absorption
de sept semi-conducteurs en fonction de la longueur d'onde
du rayonnement reçu. Plus ce coefficient est élevé, plus le
semi-conducteur absorbe le rayonnement.
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Doc. 6Prix des semi-conducteurs
| Semi-conducteur | Germanium (Ge) | Posphore d'indium (InP) | Arséniure de gallium (GaAs) |
|---|---|---|---|
Coût du matériau comparé au silicium
| x 4 | x 8 | x 10 |
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Doc. 7 Absorption par une cellule photovoltaïque
à triple jonction
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Doc. 8 Abondance massique des éléments chimiques
dans la croûte terrestre
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Questions
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1. Doc. 1 et Doc. 3 Proposer un schéma permettant d'expliquer l'effet photoélectrique se produisant à la surface d'un semi-conducteur.
2. Doc. 2 Identifier la principale différence entre un conducteur, un isolant et un semi-conducteur.
3. Doc. 4 Identifier un intervalle de longueurs d'onde sur le spectre solaire pour laquelle la puissance surfacique solaire reçue est maximale au niveau de la mer.
4. Doc. 4 et Doc. 5 Déduire quel semi-conducteur serait le plus efficace pour concevoir des cellules photovoltaïques.
5. Doc. 6 et Doc. 8 Relever deux arguments permettant d'expliquer que le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques.
6. Doc. 5 et Doc. 7 Expliquer l'intérêt des cellules photovoltaïques multijonctions.
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2. Doc. 2 Identifier la principale différence entre un conducteur, un isolant et un semi-conducteur.
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