L'effet photoélectrique et les cellules solaires

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Questions and Answers

Quel scientifique a expliqué le principe de l'effet photoélectrique en 1905 ?

Albert Einstein (correct)

Heinrich Hertz

Walter Schottky

William Adam

Quelle efficacité les cellules de sélénium à l’état solide pouvaient-elles atteindre dans les années 1870 ?

7% à 8%

1% à 2% (correct)

5% à 6%

3% à 4%

Qui a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour sa découverte liée à l'effet photoélectrique ?

William Adam

Walter Schottky

Albert Einstein (correct)

Richard Day

Quelle est la première application des cellules solaires mentionnée dans le texte ?

Alimentation d'un satellite Signup and view all the answers

Quel assemblage de cellules photovoltaïques est désigné par le terme 'panneau solaire' ?

Assemblage en série et en parallèle Signup and view all the answers

Quel est le rendement typique d'une cellule photovoltaïque en conditions opérationnelles?

12 à 15 % Signup and view all the answers

Comment la température affecte-t-elle les cellules photovoltaïques?

Elle réduit la tension de la cellule. Signup and view all the answers

Quel facteur influence le rendement maximal théorique d'une cellule photovoltaïque?

L'énergie de gap du semi-conducteur Signup and view all the answers

Quelles sont les principales causes de pertes d'énergie dans une cellule photovoltaïque?

Dissipation thermique et réflexions Signup and view all the answers

Quel est le rendement des cellules photovoltaïques en silicium?

8 à 17 % Signup and view all the answers

Quel est l'objectif principal d'un suiveur solaire?

Optimiser l'orientation des panneaux Signup and view all the answers

Quel facteur n'est pas pris en compte dans le dimensionnement d'une installation solaire?

Type de sol Signup and view all the answers

À quel intervalle la puissance des panneaux solaires est-elle généralement mesurée?

120 à 150 Wcrete par m² Signup and view all the answers

Quel est l'angle d'azimut optimal pour minimiser les pertes significatives dans l'hémisphère nord?

Entre -45° et +45° Signup and view all the answers

Quelle est une condition préliminaire pour une installation réussie d'un générateur PV?

Un ensoleillement suffisant sur l'année Signup and view all the answers

Quel impact la neige peut-elle avoir sur les panneaux solaires?

Elle peut les couvrir partiellement ou totalement Signup and view all the answers

Qu'est-ce qu'une analyse de faisabilité dans le contexte d'une installation solaire?

Une évaluation des aspects organisationnels et environnementaux Signup and view all the answers

Quel est l'effet d'un tilt horizontal des panneaux solaires?

Pertes d'environ 10% par rapport à l'optimum Signup and view all the answers

Quel élément est souvent utilisé pour doper le silicium afin de créer une région de type p?

Bore Signup and view all the answers

Quel type de charge est associé aux électrons dans la région de type n?

Charges négatives Signup and view all the answers

Quel phénomène se produit lorsque les zones p et n sont mises en contact?

Formation d'une jonction p-n Signup and view all the answers

Qu'est-ce qui empêche la diffusion des charges après la création d'une jonction p-n?

Un champ électrique Signup and view all the answers

Quelle est la charge globale d'un cristal de silicium dopé à la fois avec du bore et du phosphore?

Neutre Signup and view all the answers

Qu'est-ce qui se recombine lors de la diffusion dans la jonction p-n?

Trous de la zone p avec des électrons de la zone n Signup and view all the answers

Quel effet est causé par la différence de concentration des charges dans les régions p et n?

Un flux d’électrons Signup and view all the answers

Quelle est la conséquence de la recombinaison des trous et des électrons dans la jonction p-n?

Équilibre du potentiel électrostatique Signup and view all the answers

Quel type de charge crée un cristal dopé avec du phosphore?

Charge négative Signup and view all the answers

Quel est l'inconvénient principal du silicium monocristallin ?

Difficulté à le découper en wafers Signup and view all the answers

Quelle méthode est utilisée pour la production de silicium monocristallin ?

Méthode de Czochralski Signup and view all the answers

Quelle équation est utilisée pour décrire le potentiel électrostatique dans une distribution de charges?

$d^2ϕ/dE = -ρ$ Signup and view all the answers

Le processus WIFP est associé à quelle forme de silicium ?

Silicium polycristallin Signup and view all the answers

Quel est l'avantage principal du silicium amorphe hydrogéné ?

Amélioration des défauts grâce à l'hydrogène Signup and view all the answers

Quelles caractéristiques un module photovoltaïque doit-il avoir pour être efficace ?

Doit avoir une grande tolérance aux températures Signup and view all the answers

Quelle est la puissance typique d'une cellule photovoltaïque ?

1.4W Signup and view all the answers

Comment les cellules photovoltaïques sont-elles connectées pour former un module ?

En série ou en parallèle Signup and view all the answers

Quel est le matériau principalement utilisé dans les cellules photovoltaïques en film ?

CdTe Signup and view all the answers

Quel est l'effet de la technique de fabrication sur le coût du silicium polycristallin ?

Augmentation des coûts de production Signup and view all the answers

Quelle est la taille typique d'une cellule photovoltaïque ?

100 cm² Signup and view all the answers

Study Notes

Edmond Becquerel

En 1870, Heinrich Hertz étudie l'effet photoélectrique sur des cellules de sélénium à l'état solide.
En 1876, Willoughby Smith, William Adam et Richard Day découvrent que ces cellules peuvent convertir la lumière en électricité avec une efficacité de 1% à 2%.

Albert Einstein

En 1905, Einstein explique le principe de l'effet photoélectrique.
Il reçoit le prix Nobel de physique en 1921 pour cette découverte.
En 1930, Walter Schottky confirme les observations d'Einstein.
Les photons transportés par la lumière permettent de mobiliser les électrons de certains matériaux.
Ces découvertes ouvrent la voie à la création de la première cellule solaire.

Découverte de la cellule solaire

En 1954, des chercheurs des laboratoires Bell Telephone, Chapin, Pearson et Fuller, mettent au point les premières cellules solaires en silicium.
Ces cellules peuvent convertir 6% de l'énergie solaire en énergie électrique.

Première application de la cellule solaire

En mars 1958, les États-Unis utilisent des cellules solaires pour alimenter en électricité l'émetteur du satellite artificiel Vanguard 1.
Ce satellite est toujours en orbite autour de la Terre.

Structure p-n

Un cristal de silicium dopé avec du bore forme une structure dite "p" (positive).
Un cristal de silicium dopé avec du phosphore forme une structure dite "n" (négative).
Lorsqu'on met en contact ces deux structures, on crée une jonction p-n.
Au niveau de cette jonction, un flux d'électrons est généré en raison de la différence de concentration des charges dans les deux matériaux.
Les trous de la zone "p" traversent la jonction pour se recombiner avec des électrons de la zone "n".
Les électrons de la zone "n" traversent la jonction pour se recombiner avec des trous de la zone "p".
Ce flux d'électrons crée deux couches avec une charge électrique opposée.
Un champ électrique s'oppose à la diffusion des charges et un équilibre est atteint.

Rendement des cellules photovoltaïques

Le rendement des cellules photovoltaïques est défini comme le rapport entre la puissance électrique nette en sortie et la puissance incidente.
Le rendement maximum théorique dépend de l'énergie de gap du semi-conducteur.
Le rendement réel des cellules solaires est généralement compris entre 12% et 15%.

Production du silicium monocristallin

La méthode de Czochralski permet de produire des cristaux circulaires de silicium monocristallin.
Ces cristaux sont ensuite découpés en wafers (plaques minces).
La méthode de Czochralski présente l'inconvénient d'être difficile à mettre en œuvre et de générer des pertes importantes.

Production du silicium polycristallin

Le procédé WIFP (Wacher Ingot Facturing Process) permet de produire du silicium polycristallin.
Le silicium fondu est refroidi dans un moule avec un gradient thermique contrôlé.
L'ingot obtenu est découpé en blocs qui sont ensuite découpés en wafers.
Les cellules polycristallines présentent des avantages en raison de leur forme rectangulaire.

Production du silicium amorphe

Le silicium amorphe est produit par simple déposition en fines couches.
La passivant la surface avec de l'hydrogène permet d'atténuer les défauts.

Cellules photovoltaïques en film

Les cellules photovoltaïques en film utilisent des fines couches de CdTe.
Elles présentent un très bon coefficient d'absorption de la lumière et une énergie de gap parfaite pour l'absorption de la lumière visible.

Modules photovoltaïques

Les modules photovoltaïques sont constitués de cellules photovoltaïques interconnectées.
Ils assurent la protection mécanique et l'isolation électrique.
Ils garantissent la stabilité aux rayons UV, la tolérance aux températures et assurent l'évacuation de la chaleur.

Performance typique d'une cellule PV

La surface d'une cellule photovoltaïque est d'environ 100 cm².
Le courant généré par une cellule est compris entre 2,5 A et 3,5 A.
La tension d'une cellule est comprise entre 0,45 V et 0,55 V.
La puissance d'une cellule est d'environ 1,4 W.

Modules PV anciens

Les modules PV anciens sont généralement composés de 30 à 36 cellules.
Ils ont une surface d'environ 0,5 m² et une puissance de 40 à 60 W.
Ils ont une tension de 12 V et un poids de 7 à 8 kg.

Modules PV récents

Les modules PV récents sont généralement composés de 36 à 72 cellules.
Ils ont une surface d'environ 0,5 à 1,1 m² et une puissance supérieure à 12 V.

Rangées ou "Strings"

Chaque panneau PV est constitué de plusieurs cellules (36 ou 72).
Chaque cellule a une tension d'environ 0,5 à 0,6 V.
Des systèmes de suivi solaire (2-axis tracking) permettent d’optimiser l’orientation des panneaux.
La puissance crête des panneaux solaires sur le marché est comprise entre 120 et 150 W/m² sous les STC.

Etapes pour la conception d'un générateur PV

Il est important d'étudier la faisabilité de l'installation en analysant les aspects organisationnels, normatifs, technologiques et environnementaux.
L'étude doit également comprendre les caractéristiques du site, la conception détaillée et la conception simplifiée.

Caractéristiques du site

Il faut vérifier si le site est adapté à l'installation d'un générateur PV en examinant l'ensoleillement, la présence d'ombres, les brouillards matinaux et les chutes de neige.
Il faut également prendre en compte les angles d'azimut et de tilt.

Ombres

Le diagramme des parcours solaires permet de déterminer la hauteur du soleil et l'ombre portée par des objets distants.

Neige

La couche de neige peut couvrir tout ou partie des panneaux.

Inclinaison et orientation

L'azimut est la déviation de la surface vers le sud-est ou le sud-ouest.
Il faut que l'azimut soit inférieur à + ou - 45° pour éviter des pertes significatives (dans l'hémisphère nord).
Le tilt est l'inclinaison sur l'horizontale (comprise entre 0 et 90°).
La valeur optimisée du tilt dépend de la latitude.
Un panneau horizontal perd environ 10% de son rendement par rapport à un panneau incliné à l'angle optimal.

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Description

Ce quiz explore les découvertes clés de l'effet photoélectrique et l'évolution des cellules solaires, en commençant par les travaux de Hertz et Einstein jusqu'à la création des premières cellules solaires en silicium. Testez vos connaissances sur les scientifiques et les moments marquants de cette révolution énergétique.