RAPPELS SUR LA THEORIE DE LA PHOTOELECTRICITE

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Energie de détachement de l’électron.

Lorsque, sous l’effet d’un champ électromoteur E , un électron effectue un déplacement dx dans le domaine, le générateur qui maintient E lui a fournit l’équivalente énergétique   W e E dx . Cette énergie extrait l’électron de son atome si elle est suffisante. C’est l’énergie d’extraction ou de détachement de l’électron.
– SiW 0, le domaine est dit CONDUCTEUR
– SiW0, le domaine est dit ISOLANT
Entre les conducteurs et les isolants se situent les semi-conducteurs.
Ce qui nous permet de conclure que la classification électrique d’un domaine est fonction de l’énergie d’extraction de l’électron de ce domaine.En dépit de leurs tailles, les parties que nous allons étudier sont des assemblages d’atomes et non des atomes isolés. Il est, par conséquent, nécessaire de les aborder en notion de bandes d’énergies au lieu de niveaux d’énergie tout court.

Théorie des bandes d’énergie.

Pour un atome isolé (état gazeux), les électrons présentent des niveaux d’énergie rigoureusement déterminés. Ils sont associés aux différents nuages électroniques atomiques.
La bande d’énergie permet d’étudier le comportementde l’élection dans un cristal. Comme un atome isolé peut présenter plusieurs niveaux d’énergies, un cristal peut aussi présenter plusieurs bandes d’énergies. Deux bandes d’énergiepossibles sont séparées par une bande interdite. Une bande interdite n’accepte pas d’électrons. Elle s’appelle aussi ‘’ GAP ‘’ On distingue deux bandes d’étude :
– La bande de valence : c’est la bande énergétique des électrons de périphérique qui assure les liaisons covalentes (réalisées par les électrons de valence), entre les atomes du réseau. Son niveau d’énergie maximal est désignépar Wv.
– La bande de conduction : c’est la bande d’énergie immédiatement supérieure à la bande de la valence. C’est dans cette bande que se trouvent les électrons qui participent à la conduction électrique. On désigne par Wc son niveau d’énergie minimale.
On peut représenter les niveaux et bandes d’énergies comme suit.
Comme les électrons recherchent toujours l’état de la plus basse énergie, au zéro absolu :
– la bande de valence, d’énergie inférieure à celle de la bande de conduction, est complètement remplie. Tous les électrons de la dernière couche forment quatre liaisons covalentes avec leurs voisins.
– la bande de conduction est vide, le semi-conducteur se comporte en isolant parfait.
Lorsque la température augmente, l’énergie de Boltzmann kBT change le comportement électrique du semi-conducteur. Des électrons remontent dans la bande de conduction.

Quelques mots usuels de la physique des semi-conducteurs

Semi-conducteurs et isolants.

Un semi-conducteur est un solide dont la largeur de la bande interdite est faible par rapport à celle d’un isolant. Entre les isolants, et les conducteurs, se placent les semi-conducteurs dont ils sont caractérisés par quatre électrons sur la dernière couche. Les semi-conducteurs sont du groupe 4. Les plus célèbres en étude sont le germanium et le silicium.
Un isolant présente une bande de valence saturé et une bande de valence entièrement vide. Ces deux bandes sont séparées par une bande interdite appelé aussi Gap. Un conducteur ou un métal a les deux bandes donnant aussi la liberté aux électrons de se déplacer sans difficulté.

Electron libre et trou

On appelle électron libre les électrons qui se trouvent dans la bande de conduction et qui, du fait de leur mobilité, sont susceptibles d’acquérir de l’énergie pour participer à un courant électrique. L’électron libre est une charge mobilenégative.
On appelle trou l’absence d’un électron dans la bande de valence. Cette absence démasque une charge positive du noyau, si bien que le trou peut-être assimilé à une charge mobile positive.

Semi-conducteur intrinsèque

Définition et notions techniques de préparation

Nous allons reproduire ici les propos de [2]- sur ce point pour éclaircir nos pensées sur les difficultés rencontrées de nos jours et dans le futur.
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l’obtient par réduction à partide silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre et notamment dans le sable ou l e quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d’un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu’à plus de 99,999%, ce qui s’obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium. Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section ronde ou carr ée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si nécessaire) de 200 micromètres d’épaisseur qui sont appelées « wafers ». Après un traitement pour enric hir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques. La production des cellules photovoltaïques nécessite de l’énergie, et on estim qu’un module photovoltaïque doit fonctionner environ deux à trois ans suivant sa technique de fabrication pour produire l’énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour énergétique du module).
Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules sont décrits dans les trois paragraphes suivants. Il existe d’autres types de cellules actuellement à l’étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable.
Les matériaux et procédés de fabrication font l’objet de programmes de recherches ambitieux pour réduire les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. Les techniques couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffrages de l’industrie naissante. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et esl prix des cellules n’ont pas baissé autant qu’espéré. L’industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d’épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d’énergie nécessaire, mais aussi les prix.

Conduction dans un semi-conducteur intrinsèque

A la température normale, un semi-conducteur intrinsèque est légèrement conducteur.
On va adopter les deux points suivants :
– Sous l’agitation thermique, un électron d’un semi-conducteur devient libre dès que son énergie cinétique atteint son énergie d’activationWa( pour le germanium, Wa = 0,7ev), il passe de la bande de valence à la bande de conduction et s’y comporte comme un électron libre dans un métal.
– Le départ d’un électron donne naissance à un trou. Donc l’atome ayant perdu un électron devient instable, il cherche à récupérer son électron en prenant celui d’un de ses voisins qui à son tour répercute l’action à un autre atome. Tout se passe alors comme si le trou se déplace dans la bande de valence. En absence du champ électromoteur dans un cristal, c’est l’agitation thermique qui fait voyager l’électron et le trou créant ainsi un courant électrique dans le cristal.
Comme les électrons en partant de l’atome donnent naissance au trou, il y a autant d’électrons libres que de trous dans un semi-conducteur intrinsèque.

Polarisation inverse de la jonction PN

Si on polarise la jonction en sens inverse la hauteur de barrière de potentiel entre les régions P et N est renforcée par la tension extérieure appliquée et devient Vf+Vinv. Le champ électrique dans la zone de charge d’espace augmente ainsi que son étendue (dans l’équation ((1 – 010)) et ((1 – 011)) Vf devient Vf + Vinv).
Les porteurs majoritaires des régions N et P n’ont pas l’énergie nécessaire pour sauter cette barrière de potentiel. La jonction est alors traversée par le très faible courant de saturation IS. Ce courant issu du phénomène d’ionisation thermiquedu silicium, dépend uniquement de la température.

RAPPELS SUR LA THEORIE DE LA PHOTOELECTRICITE

Introduction

Depuis 1839 où Antoine Becquerel a appliqué le principe de l’effet photoélectrique ou la transformation directe d’énergie portée par la lumière en électricité, les chercheurs n’ont pas cessé d’apporter leurs contributions pour l’exploitation de cette énergie propre. Dès 1954, la production de la photoélectricité a vu le jour. La recherche porte également aujourd’hui sur des polymères et matériaux organiques susceptibles éventuellement souples qui pourraient remplacer le silicium. Avant de voir les progrès actuels en matière de photoélectricité, nous allons aborder le sujet à partir de photopile à semi-conducteur naturel.

Cellule photovoltaïque

Définition et historique

La cellule photovoltaïque est la cellule élémentair d’un générateur solaire. On l’appelle aussi photodiode. En effet, elle résulte de l’exploitation de la barrière de potentiel né de la mise en jonction des deux semi-conducteurs de types différents.
Le terme « photovoltaïque » désigne le processus physique qui consiste à transformer l’énergie lumineuse en énergie électrique par le transfert de l’énergie des photons aux électrons d’un matériau.
Le principe de photovoltaïque a été découvert pare lphysicien français A. Becquerel en 1939 et expliqué par Albert Einstein en 1905 (c’est pour cette explication qu’il a reçu le prix Nobel de physique en 1921).
Le préfixe Photo vient du grec « phos » qui signifi e lumière. « Volt » vient du patronyme d’Alessandro Volta (1745-1827), physicien qui a contribué aux recherches sur l’électricité. Donc littéralement, photovoltaïqueignifies électricité lumineuse.

Description et constitution

Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont « bombardés » par les photons constituant cett e lumière. Sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieurs sont arrachés :
– Si l’électron revient à son état initial, l’énergi cinétique du photon est transformée en énergie thermique.
– Par contre, dans les cellules photovoltaïques, unepartie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons « arrachés » créent une tension électrique continue faible.
Une partie de l’énergie cinétique des photons est donc transformée en énergie électrique.
C’est l’effet photovoltaïque.
L’effet photovoltaïque, se manifeste quand un photon est absorbé dans un matériau composé de semi-conducteurs dopés P et N, dénommé comme jonction PN. Sous l’effet de ce dopage, un champ électrique est présent dans le matériau de manière permanente. Quand un photon incident, de fréquence f, interagit avec les électrons du matériau, il cède son énergie de Planck hf à l’électron qui se retrouve libéré de sa bande de valence et subit donc le champ électrique intrinsèque.
Sous l’effet de ce champ, l’électron migre vers la face supérieure laissant place à un trou qui migre en direction inverse. Des électrodes placées sur la face supérieure et la face inférieure permettent de récolter les électrons et de leur faire réaliser un travail électrique pour rejoindre le trou de la face antérieure.
Pour que l’électron puisse franchir la barrière de potentiel, il lui faut une énergie. Une cellule photovoltaïque produit du courant si on lui fournitde l’énergie lumineuse. Cette énergie lumineuse lui arrive sous forme de photons. Pour assurer l’absorption quasi-totale des photons, il faut augmenter la zone de déplétion en intercalant entre les deux semi-conducteurs un semi-conducteur intrinsèque comme à la figure ci-dessous.

Principe de fonctionnement

En absence de polarisation, la photodiode crée une tension, en polarisation inverse par une alimentation externe, elle crée un courant. Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons absorbés, à condition que l’énergie du photon Eph = hf soit supérieure à la largeur de la bande interdite, l’électron quitte la bande de valence et se dirige vers la bande de conduction. Il devient ainsi mobile et capable de générer un courant électrique. L’existence de la bande interdite entraine l’existence d’un seuil d’absorption tel que hf0 = Eg. Lors de l’absorption d’un photon, deux phénomènes peuvent se produire :
La photoémission : c’est la sortie de l’électron hors du matériau photosensible.
La photoconductivité : l’électron est libéré à l’intérieur du matériau.
Les électrons ainsi libérés contribuent à la conductivité électrique du matériau.
Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur muni d’une énergie suffisante, ils peuvent créer des photo-porteurs électrons et trous d’électrons en excès dans le matériau causant ainsi une augmentation du courant électrique.

Photocourant

Le photocourant provient de conductions des électrons génères par l’effet photoélectrique de la  zone de déplétion et de la diffusion des électrons de la zone P.

Quelques termes usuels en photoélectricité

– Photocourant de conduction
On appelle photocourant de conduction le courant Iphc dû aux électrons génères par le photoélectrique dans la zone de déplétion.
– Photocourant de diffusion
On appelle photocourant de diffusion le courant Iphd dû aux électrons par effet photoélectrique dans la région neutre de type P et qui arrivent par diffusion jusqu’au bord de la zone de déplétion.
– Photocourant total
On appelle photocourant le courant Iph total à tous les électrons générés par la photoélectricité dans le dispositif.
Le photocourant total a pour expression Iph = Iphc + Iphd
Il est compté positivement s’il passe de la zone N vers la zone P.
– Taux de génération optique et Expression du Photocourant
Pour pouvoir exprimer le photocourant, on va admettre les hypothèses simplifications suivantes :
– Le régime est permanent, par conséquentn 0 ¶ t
– La couche N est suffisamment mince. Ce qui signifie L N1 L D .
– Le déplacement des charges est uni axial suivant la cathode-anode
– La section A de la photodiode est constante.
– Aucune recombinaison des paires électron-trou générées par l’effet photoélectrique n’a lieu dans la zone de déplétion.
– Le mécanisme de génération photocourant est imperturbable sous l’effet du flux des photons et le photocourant de conduction suit la relation

Table des matières

INTRODUCTION
Nomenclature
Chapitre I : BREVE HISTORIQUE ET RAPPELS SUR LA THEORIE DE SEMICONDUCTEURS
1.1 Brève historique
1.2 Rappels sur la théorie de semi-conducteurs
1.2.1. Introduction
1.2.2. Loi d’Ohm
1.2.3. Energie de détachement de l’électron.
1.2.4. Théorie des bandes d’énergie.
1.2.5. Quelques mots usuels de la physique des semi-conducteurs
1.2.5.1 Semi-conducteurs et isolants
1.2.5.2 Electron libre et trou
1.2.5.3 Comparaison entre semi-conducteurs et isolants
1.2.6. Semi-conducteur intrinsèque
1.2.6.1 Définition et notions techniques de préparation
1.2.6.2 Conduction dans un semi-conducteur intrinsèque
1.2.7. Semi-conducteur extrinsèque
1.2.7.1 Dopage et types des semi-conducteurs dopés
1.2.7.2 Jonction
1.2.7.3 Effet redresseur
1.2.7.4 Polarisation directe de la jonction PN
1.2.7.5 Polarisation inverse de la jonction PN
Chapitre II : RAPPELS SUR LA THEORIE DE LA PHOTOELECTRICITE
2.1 Introduction
2.2 Cellule photovoltaïque
2.2.1. Définition et historique
2.2.2. Description et constitution
2.2.3. Principe de fonctionnement
2.2.4. Photocourant
2.2.4.1 Quelques termes usuels en photoélectricité
2.2.4.2 Modèle d’une photodiode
2.3 Générateur solaire
2.3.1. Définition
2.3.2. Quelques ordres de grandeur et problèmes d’exploitation des générateurs solaires
2.3.3. Rendement
Chapitre III : ETUDE DE LA POMPE
3.1 Introduction
3.2 Rappels sur la machine à courant continu
3.2.1. Principe de la conversion électromécanique
3.2.2. Description
3.2.2.1 Inducteur ou stator
3.2.2.2 Induit ou rotor
3.2.3. Fonctionnement
3.2.3.1 Symbole et mode d’excitation
3.2.3.2 Force électromotrice induite
3.2.3.3 Equation de fonctionnement
3.2.3.4 Puissance – Rendement et Couple
Chapitre IV : REMPLISSAGE ET VIDANGE DU RESERVOIR
4.1. Quelques grandeurs de la détermination du choix de la pompe
4.1.1. Débits
4.1.2 Caractéristiques des hauteurs
4.1.3. Energie nécessaire au pompage
4.1.4. Vitesse spécifique NS
4.1.5. Diamètre de la conduite
4.1.6. Détermination des caractéristiques du réservoir
4.1.7. Estimation du volume du réservoir
4.2 Type d’écoulement
4.2.1 Écoulement laminaire
4.3 Puissance pour un écoulement
4.3.1 Hypothèses de calcul
Conclusion générale
Annexe1 : ENERGIE SOLAIRE
A1. Quelques définitions des données astronomiques
A11. Déclinaison du soleil δ
A12.Latitude ϕ
A13. Angle horaire ω
A14. Hauteur h du soleil
A15. Système locale de coordonnées azimutales
A16. Les paramètres des rayonnements solaires
A12. Paramètres de temps
A121 Définitions de mots usuels
Annexe2 : PROGRAMMES DE TRAÇAGE DU DEBIT
A21. %Programme Débit fonction de hauteur pour un diamètre de 12mm
A22%Programme Débit fonction de diamètre pour hauteurs de 5m à 50 m..

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