Physique Effet photoélectrique 

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Spécialité

Physique Effet photoélectrique 

Chap.20

 But du TP : Décrire l’effet photoélectrique dans le cas d’une DEL. Déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque.

I. Interaction photon-matière dans une DEL

 Les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) sont présentes dans notre quotidien (éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs, télécommandes (DEL IR), calculatrice etc…). Ce composant convertie l’énergie électrique directement en lumière au sein d’un matériau semi-conducteur. Cet effet photoélectrique est expliqué par l’interaction quantique photon-matière.

 Comment déterminer une constante fondamentale de la physique quantique en étudiant une DEL ?

Document 1 : Fonctionnement d’une DEL

 Toute diode est constituée de deux semi-conducteurs, l’un possédant un excès d’électrons (zone dopée de type n), l’autre possédant un déficit d’électrons (zone dopée de type p) appelés « trous ». Le passage d’un électron de la zone de type n à la zone de type p ne se produit que si cet électron possède une énergie minimale (ou gap notée Egap).

 L’énergie d’un électron traversant la jonction dépend de la tension U aux bornes de la diode : Eélectron = e  U. Une fois l’électron dans la bande de conduction, la diode est passante et un courant peut circuler. La tension de seuil Useuil représente la tension minimale à partir de laquelle l’énergie des électrons est suffisante pour passer la jonction.

Ensuite, lorsque l’électron « tombe dans un trou », il perd de l’énergie avec émission de lumière (ou de photons) d’énergie E = h  ν où ν (lire « nu ») est la fréquence de la radiation (en Hz).

 Données : charge élémentaire : e = 1,60  10^-19 C ; constante de Planck : h = 6,63  10^-34 J.s ; célérité de la lumière : c = 3,00  10⁸ m.s^-1

Document 2 : Longueur d’onde d’émission

DEL λmax (nm)

diode verte L-813 GD 568 diode jaune L-813 YD 590 diode rouge L-813 ID 625 Document 3 : Protocole expérimental

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 A partir de ce montage, on détermine la tension de seuil de la DEL. Pour cela, il suffit de mesurer l’intensité I la traversant en fonction de la tension U appliquée, puis de tracer sa caractéristique I = f(U).

 Le logiciel MultiSpectro (présent sur l’ordinateur du

professeur) permet de visualiser le spectre de la lumière émise par la DEL, à partir duquel on mesure la valeur de la longueur d’onde λmax du maximum d’émission.

Questions préalables (S’approprier)

1) Quel type de conversion d’énergie la DEL effectue-t-elle ?

2) Quelle est l’expression de l’énergie d’un photon en fonction de la longueur d’onde λ de la radiation émise ? Protocole expérimental (Réaliser)

3) Réaliser le protocole du document 3 afin de déterminer la tension de seuil de la DEL étudiée et de vérifier λmax.

 Appeler le professeur pour lui faire vérifier la caractéristique, puis imprimer la courbe. 

Exploitation (Analyser)

4) Cette émission de lumière se produit-elle quelle que soit la tension imposée par le générateur ?

5) En considérant qu’il y a égalité entre l’énergie électrique reçue par la DEL et l’énergie lumineuse qu’elle émet, exprimer sa tension de seuil Useuil en fonction de la longueur d’onde λmax de la radiation émise.

Problème (Raisonner-Valider)

6) Déterminer la valeur de la constante h de Planck. Le résultat expérimental est-il en accord avec la valeur théorique ? Commenter.

Groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 9

h (10^-34 J.s)

 Le résultat de la mesure est en accord avec la valeur théorique si

|

|

u(h) <2 où l’incertitude-type élargie

u(h)=2σ_n−1

√

II. Rendement d’une cellule photovoltaïque

 Les panneaux solaires en silicium cristallin (90% du marché) sont constitués de cellules photovoltaïques qui utilisent l’énergie solaire pour obtenir de l’électricité. Les industriels améliorent sans cesse leur rendement, dont le record mondial (2018) vaut 22,3 %.

 Le 18 octobre 2019, la France inaugure sa première centrale solaire flottante. Installée sur le lac artificiel de Piolenc dans le Vaucluse, elle possède une puissance maximale de 10 MW et un meilleur rendement que si elle était située sur la terre ferme.

 Comment déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque ?

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Document 4 : Rendement d’une cellule photovoltaïque

 Si l’énergie lumineuse est suffisante, un photon solaire est absorbé par un électron de la zone de type p. Celui-ci, soumis à un champ électrostatique au niveau de la jonction, la traverse, ce qui engendre un coutant électrique dans le circuit.

 Le rendement énergétique correspond à la quantité d’énergie lumineuse que la cellule peut convertir en électricité : η = \f(Pmax;Plum avec Pmax : puissance électrique maximale (W) ; Plum : puissance lumineuse reçue (W).

 Puissance électrique : P = U  I

 Puissance lumineuse : Plum = ε  S où S est l’aire (m²) de la cellule pour un éclairement ε (W.m^-2).

Document 5 : Matériel

Cellule

photovoltaïque

Lampe halogène de bureau

Multimètres Résistance variable (0 à 200 Ω)

Réglet 20 cm Luxmètre

 Remarque : Lorsque la lampe est à une hauteur de 10 cm de la cellule sous une incidence normale, on admettra que la conversion d’éclairement vaut : 1 W.m^-2 = 100 lux

Document 6 : Caractéristique d’une cellule photovoltaïque commerciale.

 La puissance nominale (ou puissance crête) est définie à 25 °C sous 1 kW/m² d’éclairement.

Questions préalables (S’approprier)

1) Quel type de conversion d’énergie la cellule effectue-t-elle ? 7) Pourquoi qualifie-t-on ce type d’électricité de « verte » ? Protocole expérimental (Analyser-Réaliser)

8) Elaborer un protocole expérimental pour déterminer le rendement de la cellule photovoltaïque étudiée.

 Aide : Schématiser le circuit à réaliser avec la résistance variable, indiquer les mesures à effectuer, les calculs à mener, la nature du graphique à modéliser…

 Appeler le professeur pour lui présenter le protocole, puis le mettre en œuvre et conclure. 

Exploitation (Analyser-Valider)

9) Commenter le résultat obtenu en indiquant les sources d’erreurs.

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10) Quels paramètres influencent le rendement d’un panneau solaire ? Problème (Raisonner)

11) Déterminer la valeur de l’aire occupée par la centrale solaire flottante de Piolenc nécessaire à la production énoncée, en considérant les conditions nominales et le meilleur rendement possible. Ce résultat est-il cohérent avec l’image ci-dessous ?

12) Indiquer les intérêts de placer les panneaux solaires sur un lac et les inconvénients de ce type de centrale photovoltaïque.

Matériel

Élèves : Bureau :

Ordinateur + Regressi

Générateur variable 0-15 V (jaune)

Platine : grosse DEL (J ou R ou V) + R = 100 Ω Résistance variable 0 à 10 kΩ

1 ampèremètre gris + 2 fils 1 voltmètre jaune + 2 fils

1 cellule photovoltaïque Sordalab 2 fils de connexion

1 luxmètre 1 réglet 20 cm

1 lampe halogène de bureau

Capteur CCD relié à l’ordinateur + logiciel Multispectro

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La centrale solaire de Piolenc fournit l’électricité à 10 000 âmes.