Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3186 et n°ENSSCI3177
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Des chercheurs ont découvert que le rouge des vitraux médiévaux était renforcé par la présence de nanoparticules de cuivre qui améliorent l’absorption de la lumière par la matière.
La découverte de ce phénomène ouvre de nouvelles pistes pour améliorer les performances des cellules photovoltaïques. On s’intéresse ici à ces pistes.
Document 1 – Propriétés électriques des semi-conducteurs contenus dans les cellules photovoltaïques
Les propriétés électriques d’un semi-conducteur dépendent d’une bande énergétique appelée le « gap ». Les photons du spectre solaire dont l’énergie est inférieure à celle du gap du semi-conducteur ne peuvent pas être exploités par la cellule photovoltaïque. Pour les photons dont l’énergie est supérieure à celle du gap, l’excédent d’énergie est converti en chaleur.
Source : connaissancedesenergies.org
On peut représenter le bilan d’énergie pour une cellule photovoltaïque par le diagramme suivant :
Le rendement des semi-conducteurs a été étudié par Shockley et Queisser en 1961. Ils ont montré que ce rendement ne pouvait pas dépasser un maximum théorique dépendant de l’énergie associée au gap. Le graphique suivant illustre cette propriété.
Rendement théorique maximum (%)
Source : https://solaredition.com
Tableau indiquant les caractéristiques de différents semi-conducteurs :
| Nom du semi-conducteur | Germanium | Silicium | Arséniure de gallium | Phosphure de gallium | Sulfure de cadmium |
|---|---|---|---|---|---|
| Symbole | Ge | Si | GaAs | GaP | CdS |
| Énergie du gap (eV) | 0,7 | 1,1 | 1,4 | 2,3 | 2,4 |
| Prix (€) au kg (2025) | 4000 | 60 | 600 | 150 | 110 |
Source : produit par l’auteur
1- Indiquer la nature de « l’énergie incidente », celle de « l’énergie utile » et celle de « l’énergie perdue » du document 1.
L’énergie incidente est l’énergie lumineuse.
L’énergie utile est l’énergie électrique.
L’énergie perdue est l’énergie thermique (perdue par effet Joule).
2- En utilisant le document 1 classer les semi-conducteurs par ordre décroissant de rendement théorique.
Positionnons sur le document 1 les différents semi-conducteurs :
Classons les semi-conducteurs par ordre décroissant de rendement théorique :
- Sulfure de cadmium
- Arséniure de gallium
- Silicium
- Germanium
- Phosphure de gallium
3- Proposer une hypothèse expliquant le fait que le semi-conducteur le plus efficace n’est pas celui qui est le plus utilisé pour la fabrication des panneaux photovoltaïques.
Hypothèses expliquant le fait que le semi-conducteur le plus efficace n’est pas celui qui est le plus utilisé pour la fabrication des panneaux photovoltaïques (Une seule demandée par le sujet) :
- Il est moins coûteux
- Il est non toxique
- Il est plus abondant
Document 2 – Caractéristique externe d’une cellule photovoltaïque en fonction de la puissance surfacique PS reçue par le panneau photovoltaïque
Source : mesures réalisées par l’auteur
On s’intéresse à une cellule photovoltaïque au silicium, de forme rectangulaire, de dimensions 20 cm x 10 cm. Cette cellule est soumise à un éclairement dont la puissance par unité de surface est égale à 600 W.m-2
4- Calculer la puissance totale reçue par la cellule photovoltaïque.
Calculons la surface S :
$S=l\times L$
$S=20\times10^{-2}\times10\times10^{-2}$
$S=2,0\times10^{-2}\ m^2$
La puissance par unité de surface est égale à 600 W.m-2 :
| 600 W | 1 m2 |
| P | $2,0\times10^{-2}\ m^2$ |
$P_{recue}=\frac{2,0\times10^{-2}\times600}{1}$
$P_{recue}=12\ W$
La puissance totale reçue par la cellule photovoltaïque est de 12W.
5- À l’aide du graphique du document 2, déterminer la puissance de sortie de la cellule pour une tension U=15 V, compte tenu de l’intensité du courant correspondant à la puissance surfacique reçue égale à 600 W.m-2.
Graphiquement, pour une tension U =15V, avec a puissance surfacique reçue égale à 600 W.m-2 I=150 mA.
6- Montrer que le rendement de la cellule est supérieur à 18 %, pour une puissance surfacique reçue égale à 600 W.m-2 et une tension de sortie égale à 15 V.
$Rendement=\frac{P_{sortie}}{P_{recue}}$
$Rendement=\frac{2,25}{12}$
$Rendement=0,1875$
$Rendement=18,75 \%$
Ainsi, le rendement de la cellule est supérieur à 18 %, pour une puissance surfacique reçue égale à600 W.m-2 et une tension de sortie égale à 15 V.
7- Comparer et commenter ce rendement vis-à-vis du rendement théorique maximum figurant dans le document 1.
Graphiquement, le rendement théorique maximum donné dans le document 1 du Silicium est de 32%.
Ce rendement est bien supérieur à celui trouvé à la question précédente.
L’une des voies de recherche actuelles consiste à optimiser la captation des photons afin qu’ils contribuent efficacement au processus de conversion d’énergie. Les chercheurs ont montré que le rouge éclatant des vitraux, dû à la vibration à certaines fréquences lumineuses des nanoparticules de cuivre injectées, constitue un phénomène assez proche de l’effet photovoltaïque.
Document 3 – Spectres d’absorption comparés de nanoparticules de différents métaux
Source : Le Mans université (https://www.researchgate.net/publication/325245689)
8- En utilisant le document 3, expliquer en quoi l’utilisation de nanoparticules de cuivre pourrait permettre d’augmenter le rendement des panneaux photovoltaïques au silicium.
D’après le document 1 : « Les photons du spectre solaire dont l’énergie est inférieure à celle du gap du semi-conducteur ne peuvent pas être exploités par la cellule photovoltaïque. Pour les photons dont l’énergie est supérieure à celle du gap, l’excédent d’énergie est converti en chaleur. »
Une partie du spectre solaire n’est donc pas exploitée efficacement par le silicium seul.
D’après le document 3, le spectre d’absorption des nanoparticules de cuivre montre une forte absorption dans le rouge du spectre lumineux (longueurs d’onde proches de 600–700 nm). L’ajout de nanoparticules de cuivre permettrait d’améliorer l’absorption de la lumière solaire là où le silicium seul est moins efficace.