Enseignement scientifique Terminale - 2024
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Thème 2 - Le futur des énergies
Sujet avec coups de pouce
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SujetSupplément numériqueL'effet photovoltaïque utilisant les cellules CIGS
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Introduction
Il existe un grand nombre de technologies mettant en œuvre l'effet photovoltaïque. L'une des principales technologies industrialisées est la conception de cellules de deuxième génération à couches minces (ou film mince) de type CIGS (Cuivre Indium Gallium Selenium). Le CIGS est un matériau de formule générale \text{CuIn}_{1-x}\text{Ga}_x\text{Se}_2 dont la proportion en gallium (x) et en indium (1-x) peut varier.
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Doc. 1Les cellules CIGS
Les procédés de fabrication des cellules CIGS permettent de fabriquer de relativement grandes surfaces sur des substrats rigides ou flexibles. Les matériaux de film mince peuvent absorber très efficacement les photons et seuls quelques micromètres d'épaisseur sont nécessaires contre 200 µm pour leurs homologues cristallins à base de silicium.
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Doc. 2Types de cellules en circulation
En 2017, la production globale annuelle de photovoltaïque a été d'environ 100 GWp.
Répartition de la production mondiale annuelle de photovoltaïque suivant le type de technologie en 2017.
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Doc. 3Pourcentage de gallium et rendement dans les cellules CIGS
En fonction des besoins, l'énergie de gap E_\text{g} peut être ajustée entre 1,035 eV et 1,680 eV en fonction du pourcentage d'atomes de gallium, x, qui remplacent les atomes d'indium dans la structure cristalline, selon la loi empirique suivante :
Dans le domaine de ces cellules, les meilleures rendements publiés ont été obtenus pour un gap d'environ 1,2 eV avec un pourcentage de Gallium autour de 30 %.
E_\text{g} = 1{,}035 + 0,65 \times x - 0,264 \times x (1 - x) en eV
Dans le domaine de ces cellules, les meilleures rendements publiés ont été obtenus pour un gap d'environ 1,2 eV avec un pourcentage de Gallium autour de 30 %.
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Doc. 4Étude d'une cellule
photovoltaïque au laboratoire
Pour un éclairement E donné, la cellule photovoltaïque se comporte comme un générateur qui fournit au circuit une puissance électrique P.
Le rendement de la cellule photovoltaïque r est le quotient de la puissance électrique maximale P_\text{max} générée sur la cellule par la puissance lumineuse qu'elle reçoit P_\text{lum} :
r = \dfrac{P_\text{max}}{P_\text{lum}} avec P_\text{lum} = E \cdot S (E en W·m-2 et S la surface de la cellule en m2).
La cellule photovoltaïque utilisée ici possède une surface de 2,22 \times 10^{-3}\ \text{m}^2 sous un éclairement de 85\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}. Les mesures de la tension U aux bornes de la cellule photovoltaïque et l'intensité I qu'elle génère lorsqu'elle est éclairée sont regroupées dans le tableau suivant :
r = \dfrac{P_\text{max}}{P_\text{lum}} avec P_\text{lum} = E \cdot S (E en W·m-2 et S la surface de la cellule en m2).
La cellule photovoltaïque utilisée ici possède une surface de 2,22 \times 10^{-3}\ \text{m}^2 sous un éclairement de 85\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}. Les mesures de la tension U aux bornes de la cellule photovoltaïque et l'intensité I qu'elle génère lorsqu'elle est éclairée sont regroupées dans le tableau suivant :
I (mA) | 22,3 | 22,0 | 21,8 | 21,4 | 19,5 | 17,5 | 15,8 | 8,9 | 6,5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
U (V) | 0,088 | 0,152 | 0,268 | 0,355 | 0,614 | 0,733 | 0,809 | 0,910 | 0,972 |
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Doc. 5Un champ photovoltaïque
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- Le Wp (Watt-peak ou Watt-crête) est l'unité correspondant à la puissance électrique maximale pouvant être produite par une cellule dans les conditions standards.
- 1 \ \text{eV} = 1,60 \times 10^{-19} J
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Doc. 6L'indium
Ces cellules CIGS ne sont pas pour autant dépourvues d'inconvénients, puisqu'elles intègrent de l'indium, un élément dont les réserves ne cessent de diminuer. En effet, il entre également dans la composition des écrans plats LCD, dont la commercialisation a explosé ces dernières années.
Il n'existe pas de mines d'indium, celui-ci est principalement co-produit par la métallurgie du zinc ainsi que par extraction métallurgique de divers concentrés miniers. Selon les minerais, la teneur en indium varie et peut atteindre 1 900 ppm (partie par million). Une estimation en 2013 porte ses réserves à hauteur de 15 000 t, réserves estimées à partir de celles de zinc. En 2015, la consommation mondiale d'indium s'est élevée à 1 440 t avec 40 t dans la production de cellules CIGS.
Il n'existe pas de mines d'indium, celui-ci est principalement co-produit par la métallurgie du zinc ainsi que par extraction métallurgique de divers concentrés miniers. Selon les minerais, la teneur en indium varie et peut atteindre 1 900 ppm (partie par million). Une estimation en 2013 porte ses réserves à hauteur de 15 000 t, réserves estimées à partir de celles de zinc. En 2015, la consommation mondiale d'indium s'est élevée à 1 440 t avec 40 t dans la production de cellules CIGS.
Pays
|
Production (t)
|
|---|---|
Chine
|
300
|
Corée du Sud
|
230
|
Japon
|
70
|
Canada
|
70
|
France
|
50
|
Belgique
|
20
|
Pérou
|
10
|
Russie
|
5
|
Production métallurgique en indium en 2018 (en tonnes).
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Questions
3. Estimer la proportion de chacune des technologies dans la production mondiale annuelle de photovoltaïque.
4. En déduire la puissance maximale produite par la technologie de type film mince.
4. En déduire la puissance maximale produite par la technologie de type film mince.
GeoGebra
6. En imaginant que l'évolution de la consommation de l'indium est stable depuis 2013 et que l'indium ne sera utilisé que dans la production de cellules de type CIGS, estimer la durée que l'on peut prévoir avant un épuisement total.
7. a. Tracer la caractéristique courant-tension I = f(U) de la cellule photovoltaïque étudiée.
GeoGebra
b. Calculer la puissance délivrée par la cellule pour chaque couple (U, \ I). En déduire la valeur de la puissance électrique maximale P_\text{max} générée sur la cellule.
c. Calculer le rendement de cette cellule.
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1. Question 1 Vérifier que l'épaisseur de la cellule est
de quelques microns à l'aide de la photo.
2. Question 2 Utiliser la relation donnée dans le document 2 et calculer la valeur de E_\text{g}.
2. Question 2 Utiliser la relation donnée dans le document 2 et calculer la valeur de E_\text{g}.
3. Question 3 Avec un rapporteur, évaluer l'angle occupé par chaque technologie puis le relier à la proportion de chaque technologie.
4. Question 7 U en abscisse, I est en ordonnée.
4. Question 7 U en abscisse, I est en ordonnée.
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