🔋 La cellule photovoltaïque : des photons au courant
Un panneau solaire, c'est une machine à transformer des grains de lumière en électrons qui circulent. Mais tous les photons ne se valent pas : certains sont trop faibles et passent tout droit, d'autres sont trop forts et gaspillent leur énergie en chaleur. Règle la lumière, le matériau et la charge, et traque le précieux point de puissance maximale !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Chaque photon transporte l'énergie E = hν = hc/λ. S'il dépasse la largeur de la bande interdite Eg du semi-conducteur, il fait passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction : une paire électron-trou est créée.
- La jonction PN sépare les charges : les électrons partent vers la zone n et les trous vers la zone p. Les électrons font alors le tour du circuit extérieur : c'est le courant.
- Les photons infrarouges trop peu énergétiques (E < Eg) traversent la cellule sans rien faire. L'énergie en trop des photons bleus (E − Eg) part en chaleur : ce sont les deux grandes pertes.
- La caractéristique I(U) montre un courant presque constant, puis qui chute brutalement près de la tension à vide. La puissance P = U × I passe par un maximum : c'est le point de puissance maximale.
- La résistance de charge fixe le point de fonctionnement (intersection de la caractéristique et de la droite U = R × I). Trop petite : courant fort mais tension nulle ; trop grande : tension maximale mais courant nul.
Expériences à faire
- Passe du Soleil au laser rouge, puis à l'infrarouge à 1 300 nm : pourquoi la cellule au silicium ne débite-t-elle plus rien ?
- Double l'éclairement : le courant double-t-il ? Et la tension ?
- Fais varier la résistance de charge et suis le point de fonctionnement : quelle valeur donne la plus grande puissance ?
- Chauffe la cellule à 70 °C : que deviennent la tension à vide et le rendement ? Pourquoi installe-t-on les panneaux de façon à ce qu'ils soient bien ventilés ?
- Compare le silicium (1,12 eV) et le germanium (0,67 eV) au Soleil : lequel absorbe le plus de photons ? Lequel a le meilleur rendement ? Pourquoi ?
La physique derrière l'animation
- Énergie d'un photon : E = h ν = h c / λ, avec h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s, c = 3,00 × 10⁸ m/s et 1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J.
- Un photon n'est absorbé par le semi-conducteur que si E ≥ Eg, c'est-à-dire si λ ≤ h c / Eg ; l'excès E − Eg est perdu en chaleur.
- Puissance électrique fournie : P = U × I ; puissance lumineuse reçue : Plum = E × S (éclairement × surface) ; rendement η = P / Plum.
- Le point de fonctionnement se trouve à l'intersection de la caractéristique de la cellule et de celle de la charge (U = R × I pour une résistance). Les onduleurs des installations solaires cherchent en permanence le point de puissance maximale.
- Modèle utilisé : diode idéale, I = Iph − I0(eU/UT − 1) avec UT = kT/e ≈ 25,7 mV à 25 °C, rendement quantique 90 %, Soleil assimilé à un corps noir à 5 778 K. Les vraies cellules au silicium atteignent environ 20 à 27 %.
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