Exercices L’énergie électrique au cours des deux derniers siècles : le XXe siècle

Les panneaux solaires au silicium monocristallin sont très utilisés dans les régions à faible ensoleillement. Malheureusement, ils ne transforment pas toute l’énergie reçue en énergie électrique, car ils s’échauffent. Ils ont un rendement de l’ordre de 16 à 20 % à une température de 25 °C, mais celui-ci diminue de 0,4 % par degré supplémentaire.

Document : Spectre solaire et spectre d’absorption du silicium monocristallin

Le spectre 1 est le spectre d’émission du soleil obtenu sous une inclinaison du soleil d’environ 42°.
Le spectre 2 est le spectre d’absorption du silicium monocristallin (c-Si). L’énergie de gap du silicium monocristallin est : $E_g=1,12\,\text{eV}$.

En vous appuyant sur le document 1, justifiez que le silicium monocristallin peut être utilisé pour capter l’énergie solaire.
Convertissez son énergie de gap en Joule.
Donnée : $1\,\text{eV}=1,6\cdot 10^{-19}\,\text{J}$

À la fin du XIX^e siècle, les propriétés ondulatoires de la lumière (réflexion, diffraction, interférences) étaient bien connues. Cependant, elles ne permettaient pas d’expliquer la quantification des échanges d’énergies entre la lumière et la matière (existence des spectres de raies, effet photoélectrique) théorisée par Max Planck en 1900.
En 1905, Albert Einstein fit émerger la théorie corpusculaire de la lumière.
En 1913, Niels Bohr proposa un modèle de l’atome avec des niveaux d’énergie quantifiés, ce qui permettra d’interpréter les spectres d’émission et d’absorption de l’atome. La théorie moderne des semi-conducteurs vit le jour en 1931. D’après Alan Herries Wilson, un semi-conducteur est un isolant à faible bande interdite.

Définissez le verbe « quantifier » au sens des physiciens.

« Depuis le début du développement des cellules photovoltaïques, la quête permanente est d’augmenter le rendement et de réduire les coûts de conversion. Jusqu’à présent, l’approche de réalisation des cellules multi-jonctions démontre le meilleur rendement de conversion d’énergie. Le concept de ces cellules solaires est basé sur l’empilement de plusieurs jonctions, de bandes interdites différentes, empilées l’une sur l’autre. Chaque jonction possède une bande interdite plus élevée que celle d’en-dessous. La lumière incidente est automatiquement filtrée lors de son passage à travers cet empilement.
Les cellules multi-jonction GaInP/GaAs/Ge plafonnent actuellement à un rendement maximal de 41,6 %. »

Définissez ce qu’est un semi-conducteur.