Fiche de révision : Cellules photovoltaïques et lumière

📋 Plan du Cours

1. Caractéristique électrique de la cellule photovoltaïque
2. Émission atomique et modèle quantique
3. Absorption lumineuse et effet photovoltaïque
4. Identifier les atomes par leurs spectres
5. Conversion photovoltaïque de la lumière
6. Induction et fonctionnement des alternateurs
7. Rendement et exemple hydroélectrique

📖 1. Caractéristique électrique de la cellule photovoltaïque

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension en circuit ouvert : Tension mesurée aux bornes d’un capteur éclairé lorsqu’aucun récepteur n’est branché.
• Intensité de court-circuit : Courant maximal débité par un capteur branché en court-circuit, lorsque la tension à ses bornes est nulle.

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance électrique délivrée par la cellule est $P = U \cdot I$.

• Pour la cellule étudiée, la tension en circuit ouvert est approximativement U₍co₎ = 0,435 V et l’intensité de court-circuit est I₍cc₎ = 45,3 mA.

• Le point de puissance maximale indiqué pour la cellule est associé à U₍max₎ = 0,3 V, I₍max₎ = 33,9 mA et à une résistance optimale d’environ 8,85 Ω.

Compléments

• Pour l’éclairement étudié, E = 2 000 lux correspond à une surface de cellule S = 0,0054 m² et, pour une lampe incandescente, 100 lux correspondent à 1 W·m⁻².

• La puissance maximale indiquée pour la cellule est P₍max₎ = 10,1361 mW.

📐 Formule - La puissance radiative reçue par la cellule vérifie $P_{\text{reçue}} = E \cdot S$ et son rendement vérifie $\eta = \frac{P_{\text{électrique}}}{P_{\text{reçue}}}$.

• Pour l’éclairement et la surface étudiés, la puissance radiative reçue est calculée avec E = 20 W·m⁻² et le rendement indiqué de la cellule est η = 9,4 %.

📖 2. Émission atomique et modèle quantique

🔑 Notions clés & Définitions

• Photon : Particule élémentaire de lumière de masse et de charge nulles.

★ À maîtriser

• Le spectre d’émission d’un gaz à basse pression porté à haute température ou soumis à des décharges électriques est discret et caractéristique de la nature des atomes qui émettent la lumière.

• L’énergie d’un photon dépend de la longueur d’onde du rayonnement et donc de sa couleur.

• En mécanique quantique, l’énergie des particules ne peut prendre que certaines valeurs particulières, les autres étant interdites.

• Lors d’une désexcitation atomique, une transition vers un niveau d’énergie inférieur s’accompagne de l’émission d’un photon dont l’énergie égale la différence entre les deux niveaux et détermine la longueur d’onde émise.

Compléments

• Le spectre d’émission simplifié de l’hydrogène comporte des raies aux longueurs d’onde 410 nm, 434 nm, 486 nm et 656 nm.

• Les écarts entre les niveaux d’énergie sont propres à chaque atome considéré.

• Dans la théorie quantique, les états des particules obéissent à des lois probabilistes.

💡 Astuce mémo

Une transition vers un niveau inférieur libère un photon dont l’énergie fixe la longueur d’onde émise.

📖 3. Absorption lumineuse et effet photovoltaïque

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photovoltaïque : Apparition d’une tension aux bornes d’un matériau semi-conducteur éclairé, provoquée par l’absorption de photons.
• Semi-conducteur : Matériau dont la conductivité électrique est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants.

★ À maîtriser

• Dans une cellule photovoltaïque éclairée, le semi-conducteur absorbe des photons, les électrons gagnent de l’énergie et une partie de cette énergie est convertie en énergie électrique dans le circuit.

• Le coefficient d’absorption quantifie la diminution de l’intensité lumineuse lors de la traversée d’un matériau ; plus ce coefficient est élevé, plus le matériau absorbe l’énergie lumineuse.

Compléments

• L’énergie lumineuse absorbée par un semi-conducteur dépend de la nature de ce matériau et de la longueur d’onde du rayonnement.

• Les semi-conducteurs, notamment le silicium, sont utilisés en électronique et entrent dans la constitution des capteurs photovoltaïques.

💡 Astuce mémo

Absorption de photons → électrons énergisés → énergie électrique dans le circuit.

📖 4. Identifier les atomes par leurs spectres

📝 Points essentiels

• Les raies visibles de l’hydrogène sont :
  • 410 nm
  • 434 nm
  • 486 nm
  • 656 nm

📌 Les longueurs d’onde des raies d’émission de l’hydrogène et du mercure diffèrent parce que leurs photons n’ont pas la même énergie et que les transitions entre niveaux d’énergie sont différentes.

• Le spectre de raies permet d’identifier la nature des gaz.

💡 Astuce mémo

Chaque gaz possède ses propres raies : celles de l’hydrogène ne sont pas celles du mercure.

📖 5. Conversion photovoltaïque de la lumière

📝 Points essentiels

• L’effet photovoltaïque correspond à la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique dans un panneau photovoltaïque.

📖 6. Induction et fonctionnement des alternateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Rotor : Élément de l’alternateur mis en rotation à proximité du stator et portant le plus souvent la source du champ magnétique.
• Stator : Élément immobile de l’alternateur qui comprend le plus souvent des enroulements de cuivre dans lesquels apparaît un courant induit par le rotor.

★ À maîtriser

• L’induction électromagnétique relie l’électricité, le magnétisme et le mouvement mécanique : un courant modifie le champ magnétique, et une modification du champ magnétique peut faire apparaître un courant dans une bobine.

📌 Le moteur électrique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique, tandis que l’alternateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.

• Dans un alternateur, la rotation de l’aimant fait varier le champ magnétique et induit une tension électrique entre les bornes de la bobine de cuivre.

Compléments

• Les travaux expérimentaux d’Oersted et de Faraday, ainsi que le travail théorique de Maxwell, ont permis la découverte du moteur électrique et de l’alternateur.

💡 Astuce mémo

La rotation fait varier le champ magnétique → une tension apparaît dans la bobine.

📖 7. Rendement et exemple hydroélectrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement : Efficacité de la conversion de l’énergie mécanique reçue en énergie électrique utile.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement de l’alternateur vérifie $r = \frac{E_e}{E_m} = \frac{E_e}{E_e + E_t} \approx 1$, où $E_e$ est l’énergie électrique utile, $E_m$ l’énergie mécanique reçue et $E_t$ l’énergie thermique dissipée.

Compléments

• Le rendement est sans unité, compris entre 0 et 1, et peut aussi s’exprimer en pourcentage.

• Un rendement de 95 % signifie que 95 % de l’énergie mécanique est convertie en énergie électrique et que 5 % est convertie en énergie thermique inutile.

• Dans un alternateur, une partie de l’énergie mécanique est dissipée sous forme de chaleur à cause des frottements et de l’effet Joule dans la bobine.

• La centrale hydroélectrique de Serre-Ponçon produit 700 GWh d’énergie par an et convertit environ 735 GWh d’énergie mécanique fournie par la turbine lorsque son fonctionnement est optimal.