Fiche de révision : Rendement et cellules photovoltaïques

📋 Plan du Cours

1. Conversions énergétiques et émissions
2. Découverte de l’induction électromagnétique
3. Expérience historique de Faraday
4. Principe et composants de l’alternateur
5. Applications de l’alternateur
6. Rendement d’un alternateur
7. Théorie des bandes et dopage
8. Fonctionnement des cellules photovoltaïques
9. Spectre solaire et absorption
10. Rendement photovoltaïque et choix du matériau

📖 1. Conversions énergétiques et émissions

🔑 Notions clés & Définitions

• Conversion électromécanique : Transforme une énergie mécanique en énergie électrique.

★ À maîtriser

• La combustion des énergies fossiles permet notamment :
  • le chauffage des bâtiments
  • le fonctionnement de moteurs thermiques
  • le fonctionnement de turboréacteurs

📌 L’énergie éolienne, hydroélectrique et marémotrice exploite une énergie mécanique convertie en énergie électrique, tandis qu’un panneau photovoltaïque convertit l’énergie électromagnétique solaire en énergie électrique.

• Plus de 98 % de la production mondiale d’énergie électrique provient d’une conversion électromécanique.

Compléments

• 🔄 La conversion dans une centrale nucléaire suit ces étapes : la fission de l’uranium dégage de la chaleur, la chaleur produit de la vapeur d’eau, la vapeur fait tourner des turbines accouplées à des alternateurs

📌 Dans une centrale thermique, la vapeur qui entraîne les turbines est produite par la combustion d’énergies fossiles ; l’électricité ainsi produite n’est pas décarbonée.

📖 2. Découverte de l’induction électromagnétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Induction électromagnétique : Production d’un courant électrique dans un circuit fermé par un champ magnétique variable.

★ À maîtriser

• En 1820, Hans-Christian Ørsted découvre qu’un courant électrique peut dévier l’aiguille d’une boussole, montrant que l’électricité peut créer un champ magnétique.

• En 1831, Michael Faraday montre qu’un champ magnétique variable peut produire un courant électrique dans un circuit fermé.

Compléments

• Le principe de l’induction électromagnétique a été découvert au XIXe siècle et expliqué plus tard grâce aux équations de Maxwell.

• En 1800, Volta invente la pile, qui permet de produire un courant électrique constitué de charges électriques en mouvement.

💡 Astuce mémo

Pile de Volta (1800) → Ørsted révèle l’effet magnétique (1820) → Faraday établit l’induction (1831)

📖 3. Expérience historique de Faraday

★ À maîtriser

• Dans l’expérience de Faraday de 1831, une pile alimente la bobine 2, une bobine 3 placée à proximité sans contact électrique est reliée à un galvanomètre, puis le mouvement périodique de la bobine 2 dans la bobine 3 induit un courant détecté par le galvanomètre.

Compléments

• Lorsque la bobine 2 reste immobile, aucun courant n’apparaît dans la bobine 3.

• Le mouvement de la bobine dans le champ magnétique produit un courant électrique alternatif sans contact direct entre les bobines.

📖 4. Principe et composants de l’alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Alternateur : Convertisseur d’énergie mécanique en énergie électrique fondé sur l’induction électromagnétique.

★ À maîtriser

📌 Le rotor est la partie mobile d’un alternateur, constituée d’aimants ou d’électroaimants en rotation, tandis que le stator est la partie fixe constituée de bobines ou d’aimants.

• La rotation d’aimants ou de bobines dans un champ magnétique induit un courant électrique dans une bobine du rotor ou du stator lorsqu’elle est reliée à un circuit extérieur.

Compléments

• L’énergie mécanique d’entrée peut être fournie par :

  • la rotation d’une turbine
  • la rotation d’une éolienne
  • un autre système moteur

• Il faut fournir une énergie mécanique pour vaincre la force résistante d’origine magnétique lors de la conversion par induction.

💡 Astuce mémo

Le rotor tourne ; le stator reste fixe.

📖 5. Applications de l’alternateur

📝 Points essentiels

• L’alternateur est utilisé comme convertisseur d’énergie mécanique en énergie électrique dans les éoliennes, les dynamos de vélo et les automobiles.

📖 6. Rendement d’un alternateur

★ À maîtriser

• Un alternateur dissipe une partie de l’énergie mécanique reçue sous forme de chaleur, notamment par frottements, effet Joule dans les circuits et pertes fer dans les noyaux métalliques.

📐 Formule - Le rendement d’un alternateur est le rapport de l’énergie électrique utile à l’énergie mécanique reçue, ou de la puissance électrique à la puissance mécanique : $r = \frac{E_{elec}}{E_{meca}} = \frac{P_{elec}}{P_{meca}}$.

Compléments

• Le rendement d’un alternateur est compris entre 0 et 1 et peut atteindre 99 % pour les alternateurs industriels.

📐 Formule - Le bilan énergétique d’un alternateur vérifie $E_{meca} = E_{elec} + E_{diss}$ et le bilan des puissances vérifie $P_{meca} = P_{elec} + P_{diss}$.

• La puissance des alternateurs varie selon leur taille et leur usage, de quelques watts pour une dynamo à des centaines de mégawatts pour un alternateur de centrale.

📖 7. Théorie des bandes et dopage

🔑 Notions clés & Définitions

• Dopage : Consiste à introduire des atomes étrangers dans le cristal de silicium, où ils créent des niveaux d’énergie supplémentaires dans la bande interdite, proches de la bande de valence ou de conduction.
• Bande de valence : Contient les niveaux d’énergie occupés par les électrons périphériques.
• Bande de conduction : Contient les niveaux d’énergie où les électrons peuvent se déplacer librement et conduire le courant.
• Bande interdite : La région entre la bande de valence et la bande de conduction où aucun électron ne peut se trouver.

★ À maîtriser

📌 Dans un conducteur, les bandes de valence et de conduction sont confondues ou très proches, tandis que l’isolant possède un gap d’environ 6 eV et le semi-conducteur un gap d’environ 1 eV.

• Dans un semi-conducteur, un apport d’énergie comme la lumière ou la chaleur permet à des électrons de passer de la bande de valence à la bande de conduction, rendant la conduction possible.

Compléments

📌 Le dopage de type n apporte des électrons libres supplémentaires, tandis que le dopage de type p crée des trous, c’est-à-dire des lacunes d’électrons qui permettent la circulation du courant.

💡 Astuce mémo

Dans un semi-conducteur, un petit gap laisse passer les électrons ; dans un isolant, le grand gap les bloque.

📖 8. Fonctionnement des cellules photovoltaïques

★ À maîtriser

• Une cellule photovoltaïque convertit l’énergie lumineuse du Soleil en énergie électrique grâce à un semi-conducteur, le plus souvent le silicium.

• Une cellule photovoltaïque simple jonction comporte deux couches de silicium dopé formant une jonction p-n : une couche n en excès d’électrons et une couche p en déficit d’électrons.

• Dans une cellule photovoltaïque, les photons permettent à certains électrons de franchir le gap, les électrons libérés sont dirigés vers le côté n, puis circulent du côté n vers le côté p par un circuit extérieur et créent un courant électrique utilisable.

Compléments

• Le phosphore est donné comme exemple d’élément riche en électrons utilisé pour le dopage n, et le bore comme exemple d’élément pauvre en électrons utilisé pour le dopage p.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé → électron libéré → courant dans le circuit extérieur.

📖 9. Spectre solaire et absorption

★ À maîtriser

• L’atmosphère absorbe une partie du rayonnement solaire, notamment par l’action de H₂O, CO₂ et O₃, et seule une partie du spectre, surtout le visible et une partie de l’infrarouge, atteint la surface terrestre.

Compléments

• L’énergie des photons du rayonnement solaire varie entre 0,5 et 2,9 eV.

📖 10. Rendement photovoltaïque et choix du matériau

★ À maîtriser

• Shockley et Queisser ont établi que le rendement maximal théorique d’une cellule photovoltaïque simple jonction en silicium est de 33 %.

📌 Pour être efficace, un semi-conducteur photovoltaïque doit avoir un gap compris entre 1 et 1,7 eV : un gap trop faible accroît les pertes sous forme de chaleur, tandis qu’un gap trop grand limite le nombre de photons absorbés.

Compléments

• Lorsque l’énergie d’un photon dépasse le gap, l’excédent d’énergie est perdu sous forme de chaleur.

📌 Lorsque l’énergie d’un photon est inférieure au gap, le photon n’est pas absorbé par la cellule.

• Les meilleures cellules photovoltaïques atteignent dans la réalité un rendement de 20 à 25 %.

• Le choix d’un semi-conducteur photovoltaïque dépend de son gap, de sa capacité d’absorption et de son coût.

💡 Astuce mémo

Photon trop énergétique → chaleur ; photon sous le gap → non absorbé.