Ens. Sc. Tale – Thème 2 - CHAPITRE 1 : PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE PAR UN CAPTEUR PHOTOVOLTAIQUE 1. CONDUCTEURS – SEMI-CONDUCTEURS - ISOLANTS

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Tale – Thème 2 - CHAPITRE 1 : PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE PAR UN CAPTEUR PHOTOVOLTAIQUE 1. CONDUCTEURS – SEMI-CONDUCTEURS - ISOLANTS 1.1.

Bandes d'énergie Le comportement électrique des conducteurs, des semiconducteurs et des isolants est modélisé par la théorie des bandes énergétiques. Selon ce modèle, les niveaux d'énergie des électrons périphériques des atomes d'une structure cristalline forment des bandes d'énergie : les électrons de la bande de valence (BV) servent aux liaisons entre les atomes, seuls les électrons de la bande conduction (BC) peuvent servir à conduire le courant. 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 (Gap).

La différence entre semi-conducteur et isolant est due à la valeur énergétique EGap de cette bande interdite, voisine de 1 eV pour les semi-conducteurs et de 6 eV pour les isolants. Remarque : L’électronvolt (eV) est une unité d’énergie : 1 eV = 1,6 .10-19 J 1.2.

Interaction de la lumière avec la matière. L'effet photoélectrique découvert par Hertz (1887) On place dans une cellule de verre sous vide, une plaque et une tige métalliques qui ne se touchent pas.

La plaque est connectée au pôle négatif d'une pile, la tige au pôle positif.

Un ampèremètre est placé en série dans le circuit. Lorsqu'on éclaire la plaque avec une lumière rouge, si intense soit-elle, il ne se passe rien.

Si on éclaire avec une lumière bleue, un courant passe ! Hertz est perplexe ! Voir animation Voir expérience de cours avec l’électroscope. Cette expérience est inexplicable en utilisant la physique classique. A.OLCZYK Einstein explique l’effet photoélectrique (1905) La lumière est constituée de particules appelées photons ayant une énergie quantifiée E = hν Unités : l’énergie E (en J), la constante de Planck h = 6,63x10-34 J.s , la fréquence de la lumière « nu » ν ( en Hz). Soit un électron qui est dans un état d’énergie E1.

Si un photon lui apporte exactement l’énergie correspondante à la différence d’énergie avec un état E2, alors le photon est absorbé par l’atome, et l’électron effectue une transition. Application Un photon bleu a une fréquence ν bleu = 6,7 .1014 Hz, calculer son énergie Ebleu en joules puis en eV Calculer l'énergie Erouge un photon rouge de fréquence ν rouge = 420 THz.

Convertir en eV On remarque que cette énergie est supérieure au EGap d’un semi-conducteur donc si ce matériau absorbe ce photon, il lui donnera assez d’énergie pour le monter dans la bande de conduction et permettre à cet électron de produire un courant électrique. 1.3.

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 du courant 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.... »