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Thème 3 : Les matériaux Etude de cellules photovoltaïques Emilie élève de termi

Thème 3 : Les matériaux Etude de cellules photovoltaïques Emilie élève de terminale S souhaite refaire tourner un petit moteur électrique branché sur un panneau photovoltaïque de l’un de ses jouets d’enfance pour proposer une expérience dans le cadre de son TPE sur l’énergie solaire. Elle a le sentiment que le moteur tourne beaucoup moins vite que dans ses souvenirs d’enfant. Un commerçant lui propose donc d’acheter un nouveau panneau qui semble en tout point identique à celui d’origine, mais Emilie est un peu perdue dans les explications qui lui sont données … Vous devrez donc au cours de cette séance, expliquer - le principe du fonctionnement d’un panneau solaire - comment calculer le rendement de chacun des panneaux photovoltaïques - vérifier si les affirmations du commerçant sont exactes. En outre, vous devrez proposer un protocole expérimental qui vous permette de - tracer la caractéristique du panneau photovoltaïque I=f(U) - déterminer la puissance maximale en traçant P=f(U) - calculer le rendement de chacun des panneaux. S’approprier Analyser Réaliser Valider Communiquer Être autonome 2,0 3,0 1,0 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D Document 1 : Circuit d’étude de la caractéristique d’un panneau photovoltaïque La cellule solaire est éclairée à l’aide de la lampe. On remarque que les conditions optimales sont obtenues lorsque les rayons lumineux frappent perpendiculairement sa surface que l’on situe à environ 10 cm de la lampe. Document 2 : l’effet photovoltaïque : http://ines.solaire.free.fr/solpv/page3.html La cellule photovoltaïque, élément de base du capteur, est composée d’un matériau semi conducteur qui de par ses caractéristiques, permet de capter l’énergie des photons composant la lumière. Dans un matériau conducteur, la bande de valence et la bande de conduction se confondent, ce qui fait que les électrons peuvent circuler facilement dans le réseau cristallin du matériau conducteur. Dans un matériau isolant, au contraire, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par ce qu’on appelle la bande interdite. Cette bande nécessite beaucoup d’énergie aux électrons pour qu’ils puissent passer dans la bande de conduction, de l’ordre d’une dizaine d’électronvolt (ou eV). Dans un semi-conducteur, la largueur de la bande interdite est plus faible, de l’ordre de 0,5 à 2 eV, cette énergie de transition d’une bande à l’autre est l’énergie de gap notée Eg. L’intérêt est de pouvoir utiliser l’énergie des photons de la lumière du soleil pour faire passer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction, ce qui en contrepartie, crée un trou dans la bande de valence. L’énergie des photons, fonction de la longueur d'onde de la lumière, doit être supérieue ou égal à l’énergie de gap Eg. Energie de gap pour différent semi-conducteur à la température de 300°K (27°C) : Mais les paires d’électrons trous créées par les photons ont tendance à se recombiner très rapidement. Pour ralentir ce phénomène et permettre leur récupération vers les électrodes, un champ électrique est créé par une jonction PN. Il s’agit d’introduire des « impuretés » dans le réseau cristallin du semi-conducteur qui est le plus souvent du silicium. Le silicium à 4 électrons dans sa bande de valence, ce qui lui permet par les liaisons de covalence de garder une structure cristalline. L’ajout d’impuretés (quelque ppm) ayant 5 électrons dans la bande de valence (phosphore par exemple) se substituant au silicium, ajoute des électrons faiblement liés dans la structure cristalline, créant un semi-conducteur dopé N. De même, l’ajout d’impuretés ayant 3 électrons dans la bande de valence (bore par exemple) se substituant au silicium enlève des électrons, donc ajoute des « trous » dans la structure cristalline, créant un semi-conducteur dopé N. La juxtaposition de ces deux semi-conducteur dopés N et P crée une jonction PN avec une différence de potentiel aux bornes de laquelle il est possible de récupérer les électrons délogés par des photons ayant suffisamment d’énergie. Electriquement, la cellule photovoltaïque, ou « photopile », se comporte donc comme une diode de grande dimension Document 3 : vieillissement des cellules photovoltaïques : http://www.acqualys.fr Document 4 : Rendement d’une cellule photovoltaïque  La puissance électrique P, fournie par un générateur, vaut Péle=U*I, avec P en watt ( W), U en volt (V) et I en ampère ( A)  La puissance lumineuse Plum=E*S avec E qui représente l’éclairement de la cellule exprimé en W.m-2 S, la surface de la cellule exprimée en m² L’éclairement est mesuré avec un luxmètre. On admet qu’un éclairement de 100 lux correspond à 1 W.m-2  Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le quotient de la puissance électrique maximale générée par la cellule Pmax par la puissance lumineuse Plum qu’elle reçoit : η= Fiche enseignant : 1. Matériels : - Panneaux photovoltaïques identifiés A (ancien) et B( récent) - Rhéostat 50 Ω - Fils de connexion - Luxmètre - Règle pour mesure la surface des panneaux - Lampe pour éclairer les panneaux ( relativement puissante ) et veiller à adapter un éclairage bien en face du panneau. 2. Prérequis : - Notion de terminale S : - Utilisation de Latis Pro : saisie des variables dans un tableau. Création d’un fonction (P=U*I). Lecture graphique de la valeur maximale en utilisant le réticule. 3. Déroulement de la séance : La séquence est prévue sur 2 heures avec rédaction d’un compte rendu et impression des courbes obtenues et conclusion sur l’affirmation du vendeur. Une fiche d’aide à l’utilisation de latis-Pro pourrait être déposée sur les paillasses afin de permettre à l’élève de travail en autonomie et chercher les informations nécessaires. Attention à faire prendre des faibles valeurs de tensions pour avoir une courbe qui soit exploitable ( courbe qui passe par un maximum ). Ouverture : On pourrait demander de calculer la surface de panneaux photovoltaïques nécessaire pour remplacer une centrale nucléaire / thermique / hydraulique qui se trouve à proximité de l’établissement scolaire. Il est aussi possible d’étudier le rendement d’un panneau en fonction de l’angle d’inclinaison ( proportionnel au cos(θ)). uploads/Ingenierie_Lourd/ cellule-photovolataique-pdf.pdf