LES CELLULES SOLAIRES De la lumière à l électricité

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1 LES CELLULES SOLAIRES De la lumière à l électricité Cette fiche propose une explication de la transformation de la lumière en électricité au plus proche de la réalité très complexe de ce phénomène. On y trouvera aussi des exercices traitant de l énergie de la lumière. De plus, il est proposé à la fin de cette fiche une application pratique permettant de mettre en évidence l effet de la lumière sur la génération d une tension électrique dans une pile solaire. Cette expérience est délicate et nécessite au moins une semaine pour être fonctionnelle, mais elle illustre bien, avec des moyens simples, l impact de la lumière sur le courant électrique. A noter que la fiche «LES BATTERIES» présente le moyen de stocker l énergie générée par les panneaux solaires pour garantir l approvisionnement en électricité de Solar Impulse pendant la nuit. On trouvera dans ce document une activité permettant de construire une petite batterie. Projet : EPFL dgeo Solar Impulse Rédaction : Michel Carrara Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro Centre d impression EPFL Suivi de projet : Yolande Berga 1/8

2 Notions abordées Sciences : Lumière et énergie Physique : Longueur d onde et fréquence Cellules solaires et semi-conducteurs Tension électrique d une pile Objectifs d apprentissage du PER MSN Analyser des phénomènes naturels et des technologies à l aide de démarches caractéristiques des sciences expérimentales : en acquérant les connaissances nécessaires en physique et en chimie. en utilisant un modèle pour expliquer et/ou prévoir le fonctionnement d un objet technique. en choisissant et en utilisant des instruments d observation et de mesure. en organisant des prises de mesures et en formalisant les résultats d une expérience. Disciplines et options concernées Sciences : 10 e et 11 e (selon l activité choisie) OCOM - Sciences * : 10 e et 11 e (selon l activité choisie) Durée de l activité Partie théorique : 2 périodes Une période pour présenter la lumière et son énergie, et une autre pour les panneaux solaires photovoltaïques. Exercice : 2 périodes Les exercices sont d un niveau accessible à tous. Expérience : 4 périodes L expérience n est adaptée que dans le cadre d un TP de sciences qui se déroulerait sur deux séances, car il faut une semaine pour que le dispositif fonctionne. * Discipline spécifique à la scolarité vaudoise OCOM : Options de compétences orientées métiers

3 Cette fiche est l occasion de présenter aux élèves le lien entre la lumière et le courant électrique et d introduire aussi quelques notions d histoire des sciences et de la technique. PARENTHÈSE HISTORIQUE L histoire du panneau solaire est celle d une réaction à l échelle atomique. Cette réaction est appelée l effet photovoltaïque. C est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés semi-conducteurs, qui produisent de l électricité lorsqu ils sont exposés à la lumière. L effet photovoltaïque a été découvert pour la première fois en 1839 par Edmond Bequerel, un physicien français. Il a constaté que certains matériaux, comme le platine, peuvent produire une faible tension électrique quand ils sont exposés à la lumière. Albert Einstein se penche par la suite sur ce travail. En 1905, il publie un article sur le potentiel de production d électricité à partir de la lumière du Soleil. Ce document explore l effet photovoltaïque, technologie sur laquelle est fondée le panneau solaire. En 1913, William Coblentz dépose le premier brevet pour une cellule solaire, qu il ne parviendra jamais à faire fonctionner. En 1916, Robert Millikan est le premier à produire de l électricité avec une cellule solaire. Pendant les quarante années suivantes, personne ne fit beaucoup de progrès en matière d énergie solaire, car les cellules photovoltaïques avaient un trop mauvais rendement pour transformer de manière suffisamment efficace la lumière du Soleil en énergie électrique. Malgré les nombreux avantages de cette énergie propre, le XX e siècle a recours à l énergie thermique tirée du pétrole. Celui-ci est abondant et très bon marché. Il est considéré comme une matière première stratégique, à l origine de la géopolitique du pétrole. Ainsi, le solaire ne séduit plus ; les projets et les découvertes se font alors plus rares. Le premier panneau solaire est construit en 1954 par les laboratoires Bell. Il a été appelé «batterie solaire» juste pour un effet d annonce : il était en effet trop coûteux à produire. Ce sont les satellites qui, lors de la course à l espace, ont réellement fait progresser la recherche sur l énergie solaire. Les satellites ont besoin d une source d énergie fiable et renouvelable. L énergie solaire est donc parfaite, car c est une source d énergie constante pour les satellites en orbite pour autant qu ils soient exposés aux rayons solaires. L industrie spatiale investit alors dans le développement des panneaux solaires. C est la première utilisation importante de cette technologie. En 1958, les premiers satellites équipés de panneaux solaires sont envoyés dans l espace et, à la même époque, une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point (actuellement, un rendement de 20 % est très correct). Grâce à l espace, les panneaux solaires ont prouvé leur fiabilité. Le coût de production des cellules solaires a également diminué. L énergie solaire a eu un second élan au cours de la crise de l énergie dans les années Quand le prix du pétrole a augmenté de façon spectaculaire, suite au choc pétrolier, on a commencé à utiliser les panneaux solaires photovoltaïques pour la première fois pour des applications domestiques. Depuis, les panneaux solaires se sont développés lentement. Pendant longtemps, ils ont été considérés comme des sources d énergie alternatives. L énergie solaire est de nouveau en plein essor, car on prévoit une pénurie prochaine de pétrole, on se préoccupe du réchauffement de la planète et le prix de l énergie n a jamais été aussi haut. De nos jours, avec la technologie existante, les cellules des panneaux solaires commercialisés ont un rendement de 17 à 20 % environ. Le rendement des cellules d un panneau solaire correspond au pourcentage d énergie lumineuse convertie en énergie électrique. Cela signifie que les cellules d un panneau solaire transforment, au maximum, 17 à 20 % environ de l énergie solaire en énergie électrique exploitable. LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE 3/8

4 LES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES OU CELLULES SOLAIRES Les semi-conducteurs ont acquis une importance considérable dans notre société. Ils sont à la base de tous les composants électroniques et optoélectroniques [1] qui entrent dans les dispositifs informatiques, de télécommunications, de télévision, dans l automobile et les appareils électroménagers, etc. On dit d ailleurs que nous sommes à l âge du silicium, le plus utilisé des semi-conducteurs. La conductivité électrique d un solide est une propriété qui est due à la présence d électrons, libres de se déplacer dans ce milieu et de générer ainsi un courant électrique. Le courant électrique est un simple écoulement de ce flux d électrons libres. L étude des corps purs et bien cristallisés montre que les cristaux se séparent en deux grandes familles au voisinage du zéro absolu (-273 C) : d une part les métaux conducteurs de l électricité, qui contiennent un grand nombre d électrons libres, et d autre part les isolants, où tous les électrons participent à des liaisons chimiques et sont donc fortement liés. Certains isolants deviennent conducteurs à plus haute température, en particulier s ils contiennent des impuretés, des défauts : ce sont par définition les semi-conducteurs. Un semi-conducteur est donc un cristal qui est isolant s il est pur, au zéro absolu, et dont la conductivité électrique est due à l agitation thermique, à des impuretés ou à différents types de défauts. C est ce qui se passe lors de l illumination des cellules solaires : les photons captés par les cellules augmentent l agitation thermique au sein du silicium et permet à celui-ci de devenir conducteur. Mais ce n est pas tout : l agitation thermique des électrons n est pas suffisante pour créer un courant électrique. Pour cela, les électrons doivent tous circuler dans le même sens. C est pourquoi il y a deux types de semi-conducteurs disposés en couches dans une cellule photovoltaïque. Dans la première couche, on crée un déficit d électrons en introduisant dans le silicium des atomes de bore qui ont un électron disponible de moins (les semi-conducteurs dopés p), et dans la seconde un surplus d électrons disponibles en introduisant des atomes de phosphore qui ont un électron de plus (les semi-conducteurs dopés n). Grâce à cela, les électrons peuvent maintenant circuler dans la cellule. On a, comme dans une pile, une borne + (avec un déficit d électrons) et une borne (avec un surplus d électrons). énergie lumineuse mesure de la tension électrique mesure de la tension électrique semi-conducteur de type n semi-conducteur de type p U = 0 type n type p U = 0 Pour qualifier la tension électrique (ou force électromotrice) que peut fournir une pile ou une cellule photovoltaïque, on utilise le Volt [V]. [1] Composants optoélectroniques : composants électroniques qui émettent ou interagissent avec la lumière.. 4/8 LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE

5 ET TOUT CELA EN CHIFFRES Exercice 1 a) Les 40 % de 50 %, c est-à-dire : 0,4 0,5 = 0,2 = 20 % b) Les 20 % de GW, c est-à-dire : 1, ,2 = 3, = GW c) Les 40 % de 50 % de GW, c est-à-dire 20 % de GW, donc : 0,4 0,5 1, = 3, = GW d) La Terre a un rayon moyen de km, sa surface est donc de : 4 π ( ) 2 = 5, m 2 Ainsi, on a : 1, / 5, = 3, GW/m 2 = 333,29 W/m 2 Comme l énergie est donnée par E = P t, l énergie journalière moyenne par m 2 est : E = 333, = 2, J e) Pour obtenir cette énergie, on suppose que tous les rayons lumineux émis par le Soleil dans la direction de la Terre parviennent sur la surface de notre planète. Pour ce faire, il faudrait que tous les rayons arrivent perpendiculairement à notre atmosphère pour qu il n y ait aucune réflexion, ce qui n est, bien sûr, pas le cas. De plus, l inclinaison des rayons varie suivant l hémisphère, la saison et l heure de la journée. f) 140 km 2 = = 1, m 2 Ce qui donne une énergie reçue totale de : 1, = 1, kwh Or il y a 20 % de rendement, ce qui correspond à une énergie fournie de : 1, ,2 = 3, kwh g) On a 3, kwh (= 3, MWh) d énergie produite potentiellement par les panneaux photovoltaïques, ce qui représente 3, / = 14 fois plus que la Grande Dixence. Leibstadt produit : = 3, J Comme 1 kwh = = J, Leibstadt produit : 3, / = 1, kwh Donc, potentiellement, les panneaux photovoltaïques pourraient produire 3, / 1, = 3,19 fois plus que Leibstadt. Exercice 2 Les 200 m 2 permettent de capter une puissance de : = W Comme le rendement est de 12 %, les panneaux fournissent : ,12 = W Ces 6 kw correspondent à peu près à la puissance du moteur des frères Wright (9 kw) utilisé en 1903 pour effectuer le premier vol motorisé. LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE 5/8

6 TECHNOLOGIE : FABRIQUE UNE PHOTOPILE L expérience qui est présentée ici est celle faite en 1839 par Edmond Becquerel (le père d Henri, celui qui découvrit la radioactivité). Il fut aussi le premier à expérimenter sur les photopiles. Il a surtout étudié les effets de la lumière sur les courants électriques : selon les cas, elle peut modifier la résistance d un conducteur au passage de l électricité ou faire apparaître un potentiel électrique, réalisant la conversion directe de la lumière en courant. Le premier phénomène, la photoconduction, est d emploi courant dans les cellules des appareils photographiques, le second dans les cellules solaires. Ce qu on sait moins, c est que la découverte des effets photoélectriques allait mener à des difficultés d interprétation théorique bien gênantes. Et c est pour échapper à ces difficultés qu Einstein a émis l hypothèse des photons (1905) en appliquant la théorie des quanta à l énergie rayonnante. Cette explication de l effet photoélectrique lui valut par la suite le prix Nobel de physique. Informations pratiques Au fil du temps, la plaque nue du dispositif se recouvrira d une couche d oxyde de cuivre (Cu 2 O : un semi-conducteur) et jouera le rôle de capteur solaire. Bloc d électrodes après 15 jours d oxydation. Différence entre la plaque «habillée» (à gauche) et la plaque nue (à droite) recouverte d oxyde de cuivre après 15 jours d immersion dans la solution saturée de NaCl. La prise de mesure s est faite ainsi : Mesure sans lumière (sans éclairage) Mesure avec lumière ambiante Mesure sous éclairage d une ampoule de 36W Les mesures sans lumière ou avec lumière ambiante sont semblables à 0,1-0,2 mv près. C est pourquoi il a été choisi de prendre comme valeur de la tension initiale la mesure avec la lumière ambiante. 6/8 LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE

7 Au fil du temps, les pattes découpées sur les plaques se sont recouvertes de sel. Il faut donc les nettoyer avant de brancher les pinces crocodiles. En faisant cela, il faut éviter au maximum d agiter la solution, sinon il peut se produire des effets indésirables (comme l inversion de polarité des plaques). Le mieux serait de braser deux fils électriques sur les pattes afin d éviter ce problème. En suivant cette expérience pendant 15 jours, les résultats suivants ont été observés : Jour Tension sans éclairage U 1 [mv] Tension avec éclairage U 2 [mv] Différence de tension U 2 U 1 [mv] 0 4,3 4, ,3 1, ,3 0,3 5 2,2 3, ,4 4,2 1,8 7 1,1 3,4 2,3 8 1,6 3,4 1, , ,6 12 2,8 5,2 2,4 13 2,5 5 2,5 14 1,8 4,5 2,7 15 2,2 4,9 2,7 Différence de tension [mv] Jour LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE 7/8

8 L expérience a été répétée et voici les résultats : Jour Tension sans éclairage U 1 [mv] Tension avec éclairage U 2 [mv] Différence de tension U 2 U 1 [mv] 0 2,3 2, ,4 0, ,8 1,9 0,1 3 1,2 1,9 0, ,5 0, ,8 1,6 0,8 8 0,7 1,6 0,9 9 0,8 2,2 1, ,6 1,6 11 0,2 3,2 3, ,2 1,7 1,5 15-0,2 1,1 1,3 Différence de tension [mv] Jour Au début, la différence de tension détectable lors de l éclairage de la plaque active ne dépassera pas 1 millivolt, mais de toute manière l effet photoélectrique sera indiscutable, et le but atteint. Plus la lumière renfermera d ultraviolet (par beau soleil et en haute montagne), et plus la différence de tension sera marquée. En effet, l ultraviolet a la longueur d onde la plus petite du spectre lumineux (donc l énergie la plus grande), le violet et le bleu sont encore assez énergétiques, mais le jaune ou le rouge ont une longueur d onde trop grande pour apporter suffisamment d énergie afin de mettre en mouvement les électrons. On observera parfois qu en remuant la cuve ou le bloc d électrodes, une sorte d inversion de polarité se produit; elle se manifeste sur le multimètre digital par l apparition d un signe. Curieusement, l éclairement de la face active provoquera alors une chute de potentiel ; cet effet «anti-photoélectrique» mériterait certainement une étude plus poussée. Il suffira d attendre 1 ou 2 heures pour que les choses reviennent dans l ordre. 8/8 LES CELLULES SOLAIRES - GUIDE