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THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES
Ch.2 – ASDS Cellule photovoltaique - 1/8
Mots-clés : conducteurs, semi-conducteurs, photovoltaïques
Activité 1 - ASDS : LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE – SON FONCTIONNEMENT
Contexte du sujet :
L’énergie solaire pourrait produire 20 fois les besoins énergétiques mondiaux. Et
pourtant, elle ne représente que 1% des capacités de production électrique à
l’échelle mondiale. L’énergie solaire, produite par le rayonnement du Soleil sur la
Terre, représente une source naturelle inépuisable et renouvelable.
Exploitée selon deux techniques différentes, elle utilise soit :
des capteurs solaires qui transforment les rayonnements en énergie
thermique (chaleur). Cette chaleur est ensuite distribuée par un système
de circulation d’eau ou d’air. Appelé «solaire thermique», son utilisation
peut être complétée, pendant les périodes de l’année peu ensoleillées, par
une énergie complémentaire (gaz naturel, électricité, bois…),
des cellules photovoltaïques, réunies dans un panneau solaire, qui transforment l’énergie en courant
électrique. Celui-ci est alors utilisé localement par le bâtiment qui l’a produit ou transmis sur le réseau
électrique. On l’appelle, le «solaire photovoltaïque».
Les cellules photovoltaïques qui composent les panneaux solaires convertissent l’énergie lumineuse du Soleil en
énergie électrique. Lorsqu’elle est éclairée par la lumière, une cellule photovoltaïque génère un courant
électrique et une tension électrique apparaît entre ses bornes. Comment fonctionnent ces cellules
photovoltaïques ?
Document 1 : Conducteurs et isolants
Un conducteur est un corps qui permet le passage d’un courant électrique lorsqu’on impose une tension entre ses
bornes. Ce passage est assuré, dans les solides, par les électrons libres.
Un conducteur possède plus de 1022 électrons libres par cm3 permettant la conduction. Sa résistivité ρ (caractérisant
la capacité d’un matériau à s’opposer à la circulation du courant électrique) est donc très faible : ρ ≤ 10-8 Ω.m.
Dans un isolant, les électrons libres sont très peu nombreux et la résistivité est élevée : ρ > 106 Ω.m.
Entre les deux se trouvent les semi-conducteurs. Le faible nombre d’électrons libres à température ambiante
augmente assez rapidement avec la température entraînant une rapide variation de la conductivité du matériau de
10-5 à 10 Ω.m.
Document 2 : Bandes d’énergie
Dans un atome, l’énergie d’un électron est quantifiée : elle ne peut prendre que des valeurs déterminées appelées
niveaux d’énergie. Dans un solide, les niveaux d’énergie relatifs à chacun des atomes qui le constituent, sont proches
les uns des autres et forment des bandes d’énergie.
Dans leur état fondamental, les
électrons remplissent
complètement les bandes de
faible énergie. Seule la dernière
contenant des électrons peut
n’être que partiellement
remplie : on l’appelle bande de
valence (BV).
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Grâce à une excitation extérieure (agitation thermique, photon), des électrons de la bande de valence peuvent
passer dans une bande d’énergie supérieure appelée bande de conduction (BC). Leur grande énergie leur permet
de s’extraire de la structure ordonnées et ils deviennent alors mobiles (ou libre) et peuvent participer à la
conduction du courant électrique.
À l’intérieur des bandes d’énergie, la différence entre des niveaux successifs est si faible que l’on peut considérer que
l’énergie varie de façon continue.
Le comportement électrique des conducteurs, des semi-conducteurs et des isolants est modélisé par la théorie des
bandes énergétiques. Selon ce modèle, les niveaux d’énergie des électrons des atomes d’une structure cristalline
forment des bandes d’énergie appelées bandes permises. Les bandes responsables des propriétés conductrices sont
la bande de valence (BV) et la bande de conduction (BC). Les énergies comprises entre deux bandes permises
constituent une bande interdite (BI). Seuls les électrons de plus hautes énergies, présents dans la bande de
conduction, peuvent se détacher de la structure cristalline et participer à la conduction du courant électrique. Pour
les conducteurs, les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Ainsi, certains électrons sont libres
d’évoluer dans la structure cristalline (cas des métaux). En revanche, pour les semi-conducteurs et les isolants, les
bandes de valence et de conduction sont séparées par une bande interdite. La différence entre semi-conducteur et
isolant est due à la valeur Eg de cette bande interdite, Eg 1 eV pour les semi-conducteurs et Eg 6 eV pour les
isolants.
D’après J.-P. PEREZ et coll., « Électromagnétisme – Vide et milieux matériels », Masson, 1991.
Document 3 : Dopage d’un semi-conducteur
Un réseau monocristallin d’atomes de silicium, Si, est un semi-conducteur. L’atome de silicium ayant quatre
électrons de valence, il établit quatre liaisons covalentes avec quatre atomes voisins. Un semi-conducteur au silicium
a une conductivité quasi nulle. Afin d’augmenter sa conductivité, on insère dans la structure cristalline des atomes
d’autres éléments, appelés dopants.
Pour un semi-conducteur au silicium dopé au phosphore, un atome de
phosphore, P, remplace un atome de silicium dans le réseau. L’atome P
ayant cinq électrons de valence, il forme quatre liaisons covalentes avec
des atomes de silicium voisins ; il reste un électron libre qui peut
participer à la conduction électrique. L’atome de phosphore étant
donneur d’électron, on parle de dopage de type n (n pour négatif).
Par un raisonnement analogue, un atome dopant possédant trois
électrons de valence, comme le bore, B, conduit à un déficit d’électron
de valence dans le réseau, appelé trou. Ce trou peut être comblé par un
électron de valence d’un atome de silicium voisin, déplaçant ainsi le
trou. L’atome de bore étant accepteur d’électron, on parle de dopage
de type p (p pour positif).
Les éléments dopants génèrent des niveaux
d’énergies dans la bande interdite.
Ces niveaux sont proches des bandes de
valence ou de conduction.
D’après J.-P. PEREZ et coll., « Électromagnétisme – Vide et milieux matériels », Masson, 1991.
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Document 4 : Les matériaux semi-conducteurs
Document 5 : Cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique d’épaisseur
comprise entre 0,2 et 0,3 mm, et de 10 cm de côté environ. Elle est
composée de cinq couches différentes : une couche antireflet , deux
couches conductrices (cathode en forme de grille et anode
compacte ) et deux couches de silicium dopé et .
Un atome de silicium compte 4 électrons périphériques. La couche de
silicium supérieure , exposée au Soleil, est dopée avec des atomes
de phosphore possédant 5 électrons périphériques, soit un de plus que
les atomes de silicium.
La couche de silicium inférieure est dopée avec des atomes de bore ayant 3 électrons périphériques,
soit un de moins que les atomes de silicium (présence d’un trou). La couche est donc excédentaire en
électrons et la couche est déficitaire. Lorsque les deux couches sont mises en contact, les électrons en
excès de la couche 3 diffusent dans la couche . Ainsi, la couche se charge positivement, tandis que la
couche se charge négativement. Un équilibre se crée et un champ électrique interne apparaît.
D’après F. MATHÉ et A. GANIER, Les défi s du CEA, n° 131.
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Document 6 : Le rôle du Soleil
Les photons du Soleil qui pénètrent dans la cellule photovoltaïque
peuvent arracher des électrons aux atomes de silicium présents dans les
couches et . Le champ électrique interne à la cellule entraîne les
électrons libérés vers la cathode (–), où ils empruntent un circuit
extérieur, générant ainsi un courant électrique qui alimente, par
exemple, une ampoule électrique. Les électrons rejoignent ensuite
l’anode (+), où ils se recombinent avec des trous.
Plus le nombre de photons absorbés est important, plus le nombre
d’électrons libérés, et donc le courant généré, est important. Les cellules
sont regroupées en modules formant des panneaux solaires.
Aujourd’hui, les rendements énergétiques moyens des panneaux
solaires sont de l’ordre de 15 %.
D’après F. MATHÉ et A. GANIER, Les défi s du CEA, n° 131.
Document 7 : Les panneaux solaires
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/les-panneaux-solaires
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Document 8 : Caractéristiques d’une cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque…. Une pile
Rendement d’une cellule photovoltaïque
Vidéo à visionner : https://www.youtube.com/watch?v=23i-_v_tWTA
Analyse et synthèse : A partir des différents documents, répondre aux questions
1. Donner une définition simple de conducteur, isolant et semi-conducteur.
2. Quelle relation existe-t-il entre résistivité et conductivité d’un matériau ? Expliquer brièvement pourquoi.
3. Comment justifier, d’un point de vue microscopique, que la résistance des métaux augmente lorsque la
température croît ?
4. En utilisant la théorie des bandes, expliquer la conductivité électrique élevée des métaux.
5. Dans la théorie des bandes, qu’est-ce qui différencie un semi-conducteur d’un isolant ?
6. Que signifie « doper » un matériau ? Quel est l’intérêt de doper un semi-conducteur ?
7. Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.
8. Pourquoi la cathode est-elle une grille et non une plaque comme l’anode ?
9. Pourquoi utiliser des semi-conducteurs dopés dans les couches et ?
10. Quel est le rôle du champ électrique interne dans la cellule photovoltaïque ?
11. Soit h · ν l’énergie transportée par un photon et Eg le « gap » de la bande interdite du silicium. Quelle
inégalité doit-il exister entre h · ν et Eg pour qu’un photon arrache un électron à un atome de silicium ?
12. De quel(s) paramètres(s) peut dépendre l’intensité du courant électrique débité par une cellule
photovoltaïque ?
13. La tension aux bornes d’une cellule photovoltaïque dépend peu de l’éclairement : elle vaut 0,56 V. l’intensité du courant débité, pour une surface exposée perpendiculairement à la direction de la lumière solaire, vaut environ 200 A.m-2. Calculer la puissance électrique, Pe, fournie par la cellule photovoltaïque, en W.m-2.
14. La puissance maximale du rayonnement solaire vaut Ps = 1 000 W.m-2. Calculer le rendement de la cellule et l’exprimer en pourcentage. Comparer la valeur trouvée à celle donnée dans le texte.
15. Commenter la valeur du rendement énergétique moyen des panneaux solaires.
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Mots-clés : conducteurs, semi-conducteurs, photovoltaïques
Activité 1 - ASDS : LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE – SON FONCTIONNEMENT
CORRECTION
ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES (durée conseillée : 60 min)
Analyse et synthèse : A partir des différents documents, répondre aux questions
1. Donner une définition simple de conducteur, isolant et semi-conducteur. (Doc. 1 et 4)
Un conducteur d’électricité est un matériau capable de laisser passer un courant électrique, c’est-à-dire de
permettre la circulation des électrons.
Tout conducteur d’électricité possède une résistance électrique « R ». Cette résistance induit un transfert de tout le
travail électrique reçu sous forme thermique (c’est l’effet Joule).
Un isolant est un matériau qui ne laisse pas passer un courant électrique : il ne permet pas la circulation des
électrons.
Un semi-conducteur est entre les deux : sa résistivité est intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des
isolants.
2. Quelle relation existe-t-il entre résistivité et conductivité d’un matériau ? Expliquer brièvement pourquoi.
Plus un matériau est conducteur, plus sa résistivité est faible. (Doc. 1 )
Explication : La conductivité électrique est due à un déplacement d’électrons libres dans le métal. Les électrons
peuvent plus ou moins rentrer en collision avec les atomes du métal lors de leur déplacement en fonction de
l’agitation des atomes.
Plus le nombre de chocs est élevé, plus le déplacement des électrons est difficile donc plus la conductivité est faible.
Le matériau « résiste » au passage du courant donc sa résistivité est plus importante.
Pour infos :
La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre grecque rho (ρ), représente sa capacité à
s'opposer à la circulation du courant électrique. Elle correspond à la résistance d'un tronçon de matériau de 1 m de
longueur et de 1 m2 de section et est exprimée en ohm x mètre (Ω.m). On utilise aussi :
le Ω.mm2/m = 10-6 Ω.m ;
le μΩ.cm = 10-8 Ω.m.
3. Comment justifier, d’un point de vue microscopique, que la résistance des métaux augmente lorsque la
température croît ?
La résistance électrique d’un matériau est liée aux chocs que les électrons subissent lors de leurs déplacements dans
les matériaux conducteurs.
Lorsque la température croît, les atomes du métal vont vibrer de plus en plus et la vitesse des électrons va
augmenter ; ainsi le nombre de chocs des électrons par unité de temps va croître : la résistance du matériau (ou la
résistivité du matériau) augmente donc avec la température et sa conductivité diminue.
La température augmente le nombre de collision donc la conductivité décroit et la résistivité augmente pour les
conducteurs. (Doc. 1 )
Pour infos :
L'évolution de la résistivité avec la température dépend du matériau :
Pour les métaux, à la température ambiante, elle croit linéairement avec la température. Cet effet est utilisé
pour la mesure de température (sonde Pt 100)
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Pour les semi-conducteurs, elle décroît avec la température, la résistivité peut aussi dépendre de la quantité
de rayonnement (lumière visible, infrarouge, etc.), absorbé par le composant
La résistance R (en ohms) d'une pièce rectiligne d'un matériau de résistivité ρ, de longueur L (en mètres) et
de section droite d'aire S (en mètres carrés) vaut donc : .
La résistivité est la grandeur inverse de la conductivité (symbole : σ) :
La résistance est la grandeur inverse de la conductance électrique (symbole : ).
Conductance : G = 1 / R (en Siemens (S)) Conductivité électrique : σ = 1 / ρ (S.m)
La résistivité varie de 1,7.10-8 Ω.m pour le cuivre à 1016 Ω.m pour du quartz fondu à 300K
Fig 1 : Résistivité en fonction de la température T pour le cuivre, le plomb et le germanium
4. En utilisant la théorie des bandes, expliquer la conductivité électrique élevée des métaux.
Pour les conducteurs, les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Ainsi, certains électrons sont libres de
se déplacer dans la structure cristalline des métaux, ce qui explique leur grande conductivité électrique. (Doc. 2)
5. Dans la théorie des bandes, qu’est-ce qui différencie un semi-conducteur d’un isolant ?
La bande interdite d’un isolant est plus large que celle d’un semi-conducteur. Le « gap » énergétique Eg est de l’ordre
de 1 eV pour les semi-conducteurs est de l’ordre de 6 eV pour les isolants.
Remarque : Il est impossible de donner suffisamment d’énergie à un électron d’un isolant pour qu’il puisse franchir
cette bande interdite. (Doc. 2)
6. Que signifie « doper » un matériau ? Quel est l’intérêt de doper un semi-conducteur ?
« Doper » un semi-conducteur signifie que l’on introduit des impuretés afin d’augmenter la conductivité.
7. Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.
Les cellules photovoltaïques exploitent l'effet photoélectrique pour produire du courant continu par absorption du
rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie lumineuse des photons en
électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur transportant les charges électriques.
Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit
d'électrons. Ces deux parties sont respectivement dites « dopées » de type n et de type p. Le dopage des cristaux de
silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau.
Un atome de silicium compte 4 électrons périphériques. L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes
de phosphore qui, eux, comptent 5 électrons (soit 1 de plus que le silicium). On parle de dopage de type n comme
négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore
qui ont 3 électrons (1 de moins que le silicium). On parle de dopage de type p comme positif en raison du déficit
d’électrons ainsi créé. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le
matériau n diffusent dans le matériau p.
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Ch.2 – ASDS Cellule photovoltaique - 8/8
En traversant la cellule photovoltaïque, les photons
arrachent des électrons aux atomes de silicium des
deux couches n et p. Les électrons libérés se
déplacent alors dans toutes les directions. Après avoir
quitté la couche p, les électrons empruntent ensuite
un circuit pour retourner à la couche n. Ce
déplacement d’électrons n’est autre que de
l’électricité.
8. Pourquoi la cathode est-elle une grille et non une plaque comme l’anode ?
La cathode est une grille ce qui permet à la lumière d’atteindre les atomes présents dans la cellule photovoltaïque.
9. Pourquoi utiliser des semi-conducteurs dopés dans les couches et ?
Les semi-conducteurs dopés dans les couches et sont à l’origine du champ électrique interne à la cellule photovoltaïque qui est créé lorsque les deux couches sont mises en contact.
10. Quel est le rôle du champ électrique interne dans la cellule photovoltaïque ?
Le champ électrique interne permet de mettre en mouvement les électrons arrachés suite au choc entre les atomes et les photons. Il permet aux électrons d’être entraînés vers la cathode, générant ainsi un courant électrique qui peut alimenter un circuit extérieur.
11. Soit h · ν l’énergie transportée par un photon et Eg le « gap » de la bande interdite du silicium. Quelle
inégalité doit-il exister entre h · ν et Eg pour qu’un photon arrache un électron à un atome de silicium ?
Pour qu’un photon puisse arracher un électron à un atome de silicium il faut que : h · ν > Eg.
12. De quel(s) paramètres(s) peut dépendre l’intensité du courant électrique débité par une cellule
photovoltaïque ?
L’intensité du courant électrique débité par la cellule photovoltaïque dépend du nombre de photons qu’elle reçoit donc de l’ensoleillement et de l’orientation de la cellule par rapport à la direction des rayons lumineux.
13. La tension aux bornes d’une cellule photovoltaïque dépend peu de l’éclairement : elle vaut 0,56 V. L’intensité
du courant débité, pour une surface exposée perpendiculairement à la direction de la lumière solaire, vaut
environ 200 A.m-2.
Calculer la puissance électrique, Pe, fournie par la cellule photovoltaïque, en W.m-2. (Doc. 4)
Puissance électrique fournie par la cellule : Pe = U x I A.N. Pe = 0,56 × 200 = 112 = 11.101 W · m−2.
14. La puissance maximale du rayonnement solaire vaut Ps = 1 000 W.m-2. Calculer le rendement de la cellule et
l’exprimer en pourcentage. Comparer la valeur trouvée à celle donnée dans le texte.
Le rendement de la cellule est : η = Pe / Ps = 112 / 1 000 = 0,112, soit 11,2 %. Le rendement de la cellule photovoltaïque est bien de l’ordre de 15 %
15. Commenter la valeur du rendement énergétique moyen des panneaux solaires.
Les rendements énergétiques moyens des panneaux solaires sont de l’ordre de 15%. Les rendements actuels des cellules photovoltaïques au silicium sont peu élevés. Des recherches sont actuellement menées pour améliorer les rendements.
