Fiche de révision : Cellule photovoltaïque et conversion solaire

📋 Plan du Cours

1. Niveaux d’énergie et spectres atomiques
2. Conversion photovoltaïque dans le semi-conducteur
3. Choix des matériaux semi-conducteurs
4. Rendement et puissance photovoltaïque
5. Production et autonomie énergétique
6. Atouts et limites du photovoltaïque

📖 1. Niveaux d’énergie et spectres atomiques

★ À maîtriser

• Les électrons d’un atome ne peuvent occuper que certains niveaux d’énergie bien déterminés, ce qui rend l’énergie atomique quantifiée.

• Lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie élevé à un niveau plus faible, l’atome émet un photon dont l’énergie correspond à la différence entre les niveaux.

📌 Les spectres d’émission et d’absorption présentent des raies aux mêmes longueurs d’onde, car ils correspondent aux mêmes transitions atomiques dans des sens opposés.

Compléments

• Le spectre d’émission d’un atome comporte des raies, car seules certaines différences d’énergie et donc certaines énergies de photons sont possibles.

• L’énergie d’un photon est liée à sa longueur d’onde, qui correspond à une couleur particulière dans le domaine visible.

💡 Astuce mémo

Absorber : niveau bas vers haut ; émettre : niveau haut vers bas.

📖 2. Conversion photovoltaïque dans le semi-conducteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photovoltaïque : L’effet photovoltaïque est la conversion d’une partie de l’énergie radiative reçue en énergie électrique dans un semi-conducteur.

★ À maîtriser

• Une cellule photovoltaïque est constituée d’un semi-conducteur, souvent du silicium, dont les états d’énergie comprennent une bande de valence et une bande de conduction séparées par une bande interdite, ou gap.

• Lorsqu’un photon apporte une énergie suffisante, il peut être absorbé par le semi-conducteur et transférer son énergie à un électron de la bande de valence, qui passe alors dans la bande de conduction.

Compléments

• Dans la bande de conduction, l’électron devient mobile et le mouvement des charges dans le dispositif participe à la production d’un courant électrique.

• Une cellule photovoltaïque est un générateur de tension continue.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé → électron dans la bande de conduction → charges mobiles → courant.

📖 3. Choix des matériaux semi-conducteurs

★ À maîtriser

• Le rayonnement solaire reçu sur Terre s’étend du proche ultraviolet au proche infrarouge, et la plus grande partie de son énergie se situe dans le domaine visible.

• Les domaines de longueurs d’onde absorbés par les semi-conducteurs dépendent de leur nature et recouvrent une partie importante du spectre solaire, notamment dans le visible et parfois dans l’infrarouge.

• Le silicium représente environ 28 % de la masse de la croûte terrestre.

Compléments

• Le choix du semi-conducteur permet d’ajuster les longueurs d’onde absorbées.

📌 Le germanium coûte quatre fois plus cher que le silicium, le phosphure d’indium huit fois plus cher et l’arséniure de gallium dix fois plus cher.

• La purification du silicium est coûteuse, car elle est énergivore.

📖 4. Rendement et puissance photovoltaïque

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement se calcule en comparant la puissance électrique produite à la puissance lumineuse reçue : $\eta = \frac{P_{\text{électrique produite}}}{P_{\text{lumineuse reçue}}}$.

Compléments

📌 Le calcul du rendement exige de comparer les puissances en utilisant des unités cohérentes.

• Dans l’exemple de l’activité, $0{,}24 \times 700\ \mathrm{W\cdot m^{-2}} \times 20\ \mathrm{m^2} = 3\,360\ \mathrm{W} = 3{,}36\ \mathrm{kW}$, une puissance théorique légèrement supérieure à une consommation instantanée de 3,1 kW dans les conditions indiquées.

📖 5. Production et autonomie énergétique

★ À maîtriser

• La production photovoltaïque varie avec :
  • l’ensoleillement
  • la météo
  • l’orientation
  • l’heure

📌 Une puissance théorique supérieure à la consommation instantanée ne signifie pas qu’un logement est autonome sur la journée ou sur l’année.

Compléments

• Les panneaux photovoltaïques ne produisent pas d’électricité la nuit.

• Le stockage ou le raccordement au réseau peut être nécessaire pour répondre à l’intermittence de la production photovoltaïque.

💡 Astuce mémo

Ensoleillement variable → production intermittente → stockage ou raccordement parfois nécessaire.

📖 6. Atouts et limites du photovoltaïque

★ À maîtriser

• À l’échelle humaine, l’énergie solaire est une source renouvelable.

• Pendant son fonctionnement, la production photovoltaïque se fait sans combustion ni émission directe de CO₂.

Compléments

• Une installation photovoltaïque est modulable.

• Le rendement photovoltaïque est limité et la fabrication comme le recyclage des équipements nécessitent des matériaux et de l’énergie.

💡 Astuce mémo

Renouvelable et sans combustion à l’usage, mais intermittent et matériellement exigeant.