Enseignement scientifique Terminale
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Jeu sérieux
Thème 1 : Science, climat et société
Introduction
Ch. 1
L'atmosphère terrestre et la vie
Ch. 2
La complexité du système climatique
Ch. 3
Le climat du futur
Ch. 4
Énergie, développement et futur climatique
Objectif Bac : Thème 1
Thème 2 : Le futur des énergies
Introduction
Ch. 5
Deux siècles d’énergie électrique
Deux siècles d’énergie électrique
Ouverturep. 99
La production d’électricité
Activité documentairep. 100-101
Fonctionnement et rendement d’un alternateur
Activité documentairep. 102
Étude d’une cellule photovoltaïque
Activité documentairep. 103
Étude d’une cellule photovoltaïque en version expérimentale - Exclusivité numérique
Activité expérimentale
Le capteur photovoltaïque
Activité documentairep. 104-105
Cours
Fiches de révision - Exclusivité numériquep. 106-107
Zone d'échauffement
Exercicesp. 108
L'atelier des apprentis
Exercicesp. 109
Le repaire des initiés
Exercicesp. 110-111
Le coin des experts
Exercicesp. 112
Exercices de révision
Exercices de révision - Exclusivité numérique
Ch. 6
Les atouts de l’électricité
Ch. 7
Optimisation du transport de l’électricité
Ch. 8
Choix énergétiques et impacts
Objectif Bac : Thème 2
Thème 3 : Une histoire du vivant
Introduction
Ch. 9
La biodiversité et son évolution
Ch. 10
L’évolution, une grille de lecture du monde
Ch. 11
L’évolution humaine
Ch. 12
Les modèles démographiques
Ch. 13
De l’informatique à l’intelligence artificielle
Objectif Bac : Thème 3
Livret maths
Fiches méthode
Annexes
Chapitre 5
Activité 4 - documentaire

Le capteur photovoltaïque

12 professeurs ont participé à cette page
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Introduction
En dix ans, la capacité mondiale de production d'énergie électrique à partir de l'énergie solaire a été multipliée par 25. Elle représente environ 4 % de la production mondiale d'énergie en 2019 et devrait atteindre 8 % en 2023.

Quel est le principe de fonctionnement d'un capteur photovoltaïque ?
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Ce que j'ai déjà vu

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Documents

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Doc. 1
Conducteur, isolant et semi-conducteur

Placeholder pour ConducteurConducteur
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Un matériau conducteur est constitué d'atomes dont les électrons périphériques peuvent passer librement d'un niveau d'énergie de valence vers un niveau d'énergie de conduction et ainsi permettre le passage du courant électrique. Dans un matériau isolant, la différence d'énergie entre les deux niveaux d'énergie (appelée gap) est trop importante : le courant électrique ne peut s'établir. Dans un matériau semi-conducteur, le gap est suffisamment faible pour qu'un apport d'énergie, par des photons par exemple, permette le passage des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. Le matériau passe ainsi d'un état isolant vers un état conducteur.
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Doc. 2
Cellule photovoltaïque à simple jonction

cellule photovoltaïque
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Un semi-conducteur à simple jonction est constitué de deux couches de silicium. L'une contient un excédent de charges négatives obtenu par ajout d'un autre élément riche en électrons (couche dopée n), l'autre un excédent de charges positives obtenu par ajout d'un élément déficitaire en électrons (couche dopée p). Ces deux couches agissent comme les deux pôles d'une pile. Lorsque les rayons du Soleil atteignent la couche n, ils fournissent l'énergie nécessaire aux électrons pour passer dans les fils conducteurs situés à la surface et circuler dans le circuit électrique extérieur.
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Doc. 3
Spectre solaire

Spectre solaire
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Les molécules de l'atmosphère absorbent une partie du rayonnement solaire. Le graphique ci-dessus montre l'allure du profil spectral du Soleil en haut de l'atmosphère et au niveau de la mer. Selon la position sur Terre, l'épaisseur d'atmosphère traversée par le rayonnement solaire n'est pas la même.
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Doc. 4
Limite de Shockley-Queisser

William Shockley et Hans-Joachim Queisser ont calculé que le rendement maximum théorique d'une cellule photovoltaïque à simple jonction en silicium est de 33 %. En effet, l'énergie des photons du rayonnement solaire varie entre 0,5 et 2,9 eV. Or, près de la moitié des photons reçus ont une énergie supérieure à la valeur du gap (1,1 eV pour le silicium) et leur énergie est convertie en énergie thermique et non en énergie électrique. De plus, un peu moins de 20 % des photons ont une énergie trop faible et ne sont pas absorbés par la cellule. À l'heure actuelle, les meilleures cellules photovoltaïques ont un rendement qui se situe entre 20 et 25 %.

semi-conducteur
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Gap et rendement de semi-conducteurs (InP : phosphure d'indium, Si : silicium cristallin, GaAs arséniure de gallium, Ge : germanium, aSi : silicium amorphe, CdTe : tellurure de cadmium, CdS : sulfure de cadmium).
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Doc. 5
Spectre d'absorption de semi‑conducteurs

La capacité d'absorber le rayonnement solaire dépend de la nature du semi-conducteur. Le graphique ci-dessous présente la capacité d'absorption de sept différents semi-conducteurs en fonction de la longueur d'onde du rayonnement perçu.
Spectre d'absorption
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Coefficient d'absorption de semi-conducteurs en fonction de la longueur d'onde.
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Doc. 6
Coût de certains semi-conducteurs comparé au coût du silicium

Semi-conducteurSiGeInPGaAs
Comparaison
par rapport au silicium		1× 4× 8× 10
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Vocabulaire

  • Électronvolt (eV) : unité d'énergie souvent utilisée pour étudier les phénomènes d'interaction entre la matière et le rayonnement ou encore en physique des particules. 1 eV = 1{,}60 \times 10^{-19} J.

  • Capteur photovoltaïque  : appareil convertissant l'énergie radiative en énergie électrique. Les cellules photovoltaïques sont des capteurs photovoltaïques.
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Supplément numérique

Visionnez plus d'informations sur le spectre solaire :
Découvrez le fonctionnement d'un semi-conducteur en vidéo :
Visionnez une introduction à la théorie des bandes.
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Questions

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1. Doc. 1 et Doc. 2 Dans une cellule photovoltaïque, d'où provient l'énergie nécessaire aux électrons des semi-conducteurs pour franchir le gap ?


2. Doc. 2 À l'intérieur d'une cellule à simple jonction, dans quel sens circulent les électrons ?


3. Doc. 4 Un bon semi-conducteur pour des panneaux photovoltaïques doit avoir une énergie de gap ni trop basse ni trop élevée. Le meilleur compromis est obtenu en choisissant des semi-conducteurs ayant un gap compris entre 1 et 1,7 eV. Identifier les semi-conducteurs qui répondent le mieux à ces critères.


4. Doc. 5 et Doc. 6 Identifier le semi-conducteur qui possède la plus large bande d'absorption. Pourquoi n'est-il pas utilisé à la place du silicium pour fabriquer la plupart des cellules photovoltaïques à simple jonction ?


5. Doc. 3 Identifier la partie du spectre solaire absorbée par les semi-conducteurs.


6. L'une des possibilités explorées pour augmenter le rendement des cellules photovoltaïques est la cellule multi-jonctions, un empilement de deux ou trois semi-conducteurs différents. Une cellule multi-jonction est fabriquée à partir des trois semi-conducteurs suivants : InP, GaAs et Ge. Rédiger un court paragraphe pour expliquer l'intérêt de ce choix.
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