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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Ce que j'ai déjà vu

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 .

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

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Doc. 3
Cellule photovoltaïque à simple jonction

Schéma animé

Schéma statique

Composant de base d'un capteur photovoltaïque, une cellule photovoltaïque à simple jonction est constituée de deux couches de semi-conducteurs. Lorsque des photons provenant du Soleil et possédant suffisamment d'énergie atteignent une couche, ils fournissent l'énergie nécessaire aux électrons pour passer dans les fils conducteurs situés à la surface et circuler dans le circuit électrique extérieur. Des technologies plus récentes utilisent plusieurs jonctions de différents semi-conducteurs empilées en couches successives pour améliorer le rendement de la conversion.

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Vocabulaire

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

Le graphique ci-dessus montre l'allure du profil spectral du Soleil en haut de l'atmosphère et au niveau de la mer.

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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.

Spectre d'absorption de semi-conducteurs

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Doc. 6
Prix 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

Diagramme de l'abondance massique des éléments chimiques
dans la croûte terrestre

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Questions

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1. et Proposer un schéma permettant d'expliquer l'effet photoélectrique se produisant à la surface d'un semi-conducteur.

Cliquez ici pour avoir accès à un espace de dessin

2. Identifier la principale différence entre un conducteur, un isolant et un semi-conducteur.

3. 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. et Déduire quel semi-conducteur serait le plus efficace pour concevoir des cellules photovoltaïques.

5. et Relever deux arguments permettant d'expliquer que le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques.

6. et Expliquer l'intérêt des cellules photovoltaïques multijonctions.

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Capteur photovoltaïque

Ce que j'ai déjà vu

Documents

Doc. 1 Effet photoélectrique

Doc. 2 Conducteur, isolant et semi-conducteur

Doc. 3 Cellule photovoltaïque à simple jonction

Vocabulaire

Doc. 4 Spectre solaire

Doc. 5 Spectre d'absorption de semi-conducteurs

Doc. 6Prix des semi-conducteurs

Doc. 7 Absorption par une cellule photovoltaïque à triple jonction

Doc. 8 Abondance massique des éléments chimiques dans la croûte terrestre

Questions

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Doc. 1
Effet photoélectrique

Doc. 2
Conducteur, isolant et semi-conducteur

Doc. 3
Cellule photovoltaïque à simple jonction

Doc. 4
Spectre solaire

Doc. 5
Spectre d'absorption de semi-conducteurs

Doc. 6
Prix des semi-conducteurs

Doc. 7
Absorption par une cellule photovoltaïque à triple jonction

Doc. 8
Abondance massique des éléments chimiques dans la croûte terrestre