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L’énergie électrique au cours des deux derniers siècles : le XXe siècle
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Introduction :
Dans le cours précédent, nous avons vu les progrès que les physiciens ont faits dans le domaine de l’électricité jusqu’à la fin du XIXe siècle.
Au cours du XXe siècle, les scientifiques vont explorer de nouvelles voies pour mieux comprendre la structure de la matière, c’est la naissance de la physique quantique. Cette nouvelle branche de la physique va engendrer de nombreuses applications faisant maintenant partie de notre quotidien.
À un moment où les enjeux énergétiques, et donc climatiques, deviennent incontournables, nous verrons que la meilleure compréhension de certains phénomènes physiques a permis des avancées spectaculaires concernant les propriétés électriques de la matière.
Nous présenterons tout d’abord, de façon simplifiée, quelques grands principes de la physique quantique. Puis, nous nous intéresserons aux matériaux semi-conducteurs et à l’une de leurs applications : les cellules photovoltaïques, qui permettent de transformer la lumière du Soleil en électricité.
Quand la physique devient quantique
La physique quantique repose sur des concepts ardus et souvent contre-intuitifs.
Notre but ici ne sera donc pas de comprendre la physique quantique, mais de donner un aperçu de ce que recouvre cette discipline dont nous entendons souvent parler et dont les applications sont omniprésentes dans le monde moderne.
À la fin du XIXe siècle, les physiciens ont établi les grands principes de la physique classique. Toutefois, nombre de problèmes restent à résoudre, comme par exemple celui des corps noirs.
Sa résolution par Planck, en 1900, allait tout bouleverser et ouvrir le champ à la quantification et à la dualité onde/corpuscule, les deux aspects de la physique quantique qui, nous le verrons, permettent d’expliquer l’effet photoélectrique.
L’énergie par paquets
Nous n’entrerons pas dans le détail du problème du corps noir. Il nous suffit de savoir qu’un corps noir est un objet (théorique) qui absorbe la totalité de l’énergie électromagnétique qu’il reçoit. Lorsque l’on chauffe un corps noir, celui-ci émet un rayonnement électromagnétique que l’on peut étudier. Or, c’est justement dans cette analyse que résidait le problème, quelque peu gênant en science physique…
La théorie prévoyait en effet que l’énergie émise serait de plus en plus grande à mesure que la longueur d’onde diminue, notamment dans l’ultraviolet. Et cela n’a pas été observé : on parle de la « catastrophe ultraviolette ».
Pour comprendre ces résultats, Max Planck introduisit l’idée de discontinuité.
Pour lui, un atome ne pouvait pas absorber l’énergie de manière continue, mais par paquets, c’est-à-dire par quanta (quantum au singulier), qui ne peuvent prendre que des valeurs discrètes (discontinues), multiples d’une valeur définie, qui dépend de la longueur d’onde de la lumière.
Il en déduisit une constante, notée , dite de Planck : .
Ceci n’était qu’un « artifice de calcul », mais qui résolut le problème. Et, sans le savoir, Planck venait d’ouvrir la voie à la quantification dans le monde microscopique.
Le photon : le côté obscur de la lumière !
Jusqu’à la fin du XIXe siècle, la physique dissociait :
La lumière, elle, était considérée uniquement d’un point de vue ondulatoire.
Se fondant sur les travaux de Planck, Albert Einstein, en 1905, supposa que, si l’atome émet de l’énergie lumineuse par paquets, alors c’est que la lumière possède déjà ces paquets d’énergie.
Photon :
Le photon est un quantum d’énergie associé au rayonnement électromagnétique, qui se comporte comme une particule. Le nom de photon ne sera donné à ce quantum d’énergie qu’en 1926.
Cette théorie révolutionnaire fut corroborée par le fait qu’elle permettait d’expliquer un phénomène bien connu à l’époque mais encore incompréhensible : l’effet photoélectrique.
Effet photoélectrique :
Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière, à certaines conditions, des électrons peuvent être expulsés de ce matériau.
En effet, considérer la lumière uniquement comme une onde électromagnétique ne suffisait pas à expliquer ce phénomène.
Pour Einstein, les photons, comme corpuscules, viennent « heurter » les électrons du matériau et, si leur énergie est suffisante, les « déloger ». S’ensuit un mouvement des électrons. Cette dualité onde/corpuscule de la lumière est, après la quantification, l’autre approche primordiale de la physique quantique.
Louis de Broglie va encore aller plus loin, en affirmant qu’à chaque point matériel est associée une onde et que la dualité onde/corpuscule n’est pas valable que pour la lumière, mais aussi pour toutes les particules, électrons compris, qui auront donc des propriétés ondulatoires !
Pour décrire l’état d’un tel objet quantique, il faut alors faire intervenir des statistiques, puis même des probabilités !
L’atome se fait « discret »
Une des conséquences de la théorie des quanta est que l’on ne peut plus considérer les électrons comme répartis de manière aléatoire au sein d’un atome.
En 1913, Niels Bohr propose un modèle pour l’atome, dans lequel les électrons ne peuvent orbiter autour du noyau qu’à des niveaux répartis de façon discrète (non continue).
Chaque électron est alors un peu comme un ascenseur qui, au lieu de se déplacer continûment d’un niveau à l’autre, ne pourrait être qu’à des étages autorisés et ne se déplacer que par « bonds » d’un niveau à l’autre !
À chaque orbite correspondent un état et un niveau d’énergie quantifié :
Pour changer de niveau d’énergie, un électron doit émettre (passer au niveau inférieur) ou absorber (passer au niveau supérieur) un quantum d’énergie.
Le quantum d’énergie que peut absorber un électron est exactement le même que celui qu’il est capable d’émettre, comme le prouve la similitude existante entre le spectre d’émission et le spectre d’absorption d’un atome.
Grâce à ce modèle, Bohr expliqua la présence des raies dans les spectres d’absorption et d’émission des atomes. Et, selon ce que nous avons dit plus haut, les raies noires sur le spectre d’absorption et les raies « colorées » sur celui d’émission correspondent parfaitement, comme nous pouvons le voir sur les spectres de l’hydrogène :
Quand un isolant devient conducteur
Après avoir évoqué les rudiments de la physique quantique, nous allons en voir une application directe : les semi-conducteurs.
De l’atome unique au solide
Nous savons maintenant que la répartition des électrons dans un atome se fait de manière discrète.
Dans un solide, il y a beaucoup (beaucoup) d’atomes. Les électrons vont donc subir l’influence de multiples noyaux et vont se réarranger. À cause des interactions qu’ils subissent, leur énergie ne prendra plus des valeurs discrètes bien définies, mais pourra prendre des valeurs contenues dans des intervalles continus, chacun de ces intervalles continus étant séparé des autres par un intervalle « interdit ».
Pour mieux se représenter cette notion, on peut imaginer un flot de voitures sur une avenue, régulé par des feux tricolores : vous verrez alors des « intervalles » continus de voitures, avec des « intervalles » vides.
Comme pour celle d’un atome, la structure électronique d’un solide est fondée sur le remplissage successif des bandes d’énergie.
Nous pouvons ainsi distinguer trois cas.
Intéressons-nous donc aux semi-conducteurs, dont les propriétés ont révolutionné notre monde.
Les semi-conducteurs
Pour qu’un solide semi-conducteur devienne conducteur, il faut que certains électrons de la bande de valence gagnent de l’énergie pour passer le gap et ainsi se retrouver dans la bande de conduction. Prenons deux exemples.
Pour rendre un semi-conducteur plus efficace, on peut augmenter sa conductivité, en procédant à un dopage (autorisé celui-ci !).
Si dans un cristal semi-conducteur, on ajoute quelques atomes ayant soit un électron de valence supplémentaire, soit un électron de valence de moins, alors on obtient une diminution de la taille du gap et le passage de la bande valence vers la bande de conduction s’en trouve facilité pour les électrons.
Prenons l’exemple du silicium, de symbole , qui est le semi-conducteur actuellement le plus utilisé.
Mais le silicium pose également des problèmes.
Alors même qu’il est aujourd’hui indispensable aux cellules photovoltaïques ou aux batteries, son extraction est à l’origine de problèmes environnementaux (utilisation de produits toxiques, de grandes quantités d’eau, d’énergie d’origine fossile…), de problèmes éthiques (exploitation humaine, travail des enfants) et de problème politique (corruption).
Si exploiter des ressources renouvelables comme l’énergie solaire est aujourd’hui vital, il ne faut pas pour autant minimiser l’impact de ces technologies sur l’environnement et sur les populations.
C’est en associant des semi-conducteurs dopés différemment que l’on peut obtenir les propriétés que l’on souhaite.
Ainsi, quand deux couches P et N sont mises en contact (jonction PN), les électrons en excès de la couche N vont être naturellement diffusés vers la couche P, déficitaire en électrons, et créé un champ électrique. C’est à cette condition que l’effet photoélectrique permet d’obtenir un courant utilisable.
Quand la lumière devient électricité
En 1883, la première cellule photovoltaïque a un rendement très faible. Mais des études sur la superposition de semi-conducteurs, sur les techniques de dopage, comme nous l’avons plus haut, ont ensuite permis des progrès importants.
Ainsi, la conquête spatiale, à partir des années 1950, a trouvé avec cette technologie un moyen d’alimenter ses satellites notamment. Une nouvelle preuve que la recherche théorique et expérimentale est la source de progrès technologiques.
Caractéristique d’une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque peut être considérée comme un générateur si on l’étudie du point de vue de sa sortie. Il est alors possible de tracer sa caractéristique.
Caractéristique :
La caractéristique d’un dipôle est la courbe représentant l’intensité du courant en fonction de la tension , soit .
En présence de lumière, une cellule photovoltaïque reliée à un récepteur produit un courant d’intensité et une tension .
Pour un éclairement et une température fixes, si on fait varier la tension entre les bornes d’une cellule photovoltaïque et que l’on relève les intensités correspondantes du courant produit, on peut alors tracer la caractéristique suivante :
Analyse du graphique :
Fonctionnement optimal d’une cellule photovoltaïque
Pour déterminer les valeurs optimales d’utilisation, on calcule la puissance électrique délivrée.
La puissance électrique (exprimée en watts) fournie par un générateur est égale au produit de l’intensité du courant délivrée par celui-ci par la tension entre ses bornes.
Ainsi avec les mêmes valeurs que précédemment, il est possible de tracer la courbe représentant la puissance en fonction de la tension :
On observe que cette courbe passe par un maximum de puissance () pour une valeur de tension .
Sur la caractéristique précédente, il est alors possible de déterminer la valeur de l’intensité correspondante : .
Paramètres à prendre en compte
Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque dépend de plusieurs paramètres.
On constate que plus la température est élevée, plus la valeur de la tension à partir de laquelle l’intensité chute est faible.
L’éclairement énergétique désigne la puissance reçue par unité de surface (perpendiculairement à celle-ci).
L’éclairement énergétique (noté ) est exprimé en watt par mètre carré ().
On constate que plus l’éclairement énergétique est important, plus l’intensité du courant produit est importante pour une même valeur de tension.
Ces deux paramètres sont difficilement compatibles : en effet, le meilleur éclairement correspond à la période estivale (inclinaison moindre des rayons solaires incidents), mais durant cette période, la température est également plus élevée.
Conclusion :
Au cours du XXe siècle, la connaissance de la physique quantique et les applications qui en découlent ont permis le développement de la production d’électricité à partir de la transformation d’énergie électromagnétique (solaire).
Les considérations environnementales ainsi que les progrès pour améliorer la compréhension et le rendement des cellules photovoltaïques ont ouvert la voie à un mode de production d’électricité alternatif plus « propre » (au moins pendant l’utilisation !).
Cependant, des problèmes liés à la matière première, le silicium, au retraitement des cellules photovoltaïques ainsi que ceux liés au stockage de l’énergie restent à résoudre pour faire de l’énergie solaire une véritable solution pour envisager l’ère de l’après pétrole et faire face au réchauffement climatique.