Les deux pertes fondamentales

Exercice supplémentaire · niveau 2 · enseignement scientifique (terminale), chapitre 4 — Deux siècles d'énergie électrique

Énoncé

On considère une cellule au silicium ( $E_{g} = 1, 12 e V$ ) éclairée par un rayonnement de $1000 W / m^{2}$ . On admet que $25 %$ de l'énergie est portée par des photons de longueur d'onde supérieure à $1107 nm$ . 1. Quelle puissance surfacique est perdue parce que ces photons ne sont pas absorbés ? 2. On admet que l'énergie moyenne des photons absorbés vaut $2, 0 e V$ . Quelle fraction de leur énergie est thermalisée ? 3. En déduire la puissance surfacique restant théoriquement disponible après ces deux pertes. 4. Le rendement réel du module vaut $20 %$ . Quelle puissance surfacique fournit-il ? Quelle est la part des pertes technologiques ? 5. Pourquoi les deux premières pertes sont-elles dites « fondamentales » ?

Corrigé

1. $0, 25 \times 1000 = 250 W / m^{2}$ perdus.

2. Il reste $750 W / m^{2}$ portés par des photons absorbés. Chacun n'utilise que $1, 12 e V$ sur $2, 0 e V$ , soit une fraction utile de $1, 12/2, 0 = 0, 56$ . La fraction thermalisée vaut donc $1 - 0, 56 = 0, 44$ , soit $44 %$ de $750 W / m^{2}$ , c'est-à-dire $330 W / m^{2}$ .

3. Il reste $750 - 330 = 420 W / m^{2}$ , soit $42 %$ de la puissance incidente. C'est la borne haute avant toute autre perte ; les calculs complets de Shockley et Queisser, qui tiennent compte en outre de la tension réellement délivrée et du rayonnement émis par la cellule elle-même, abaissent cette borne à environ $34 %$ .

4. $0, 20 \times 1000 = 200 W / m^{2}$ fournis. Les pertes technologiques valent donc $420 - 200 = 220 W / m^{2}$ , soit $22 %$ de la puissance incidente : réflexion sur la face avant, ombrage des contacts métalliques, recombinaisons des charges avant collecte, résistances internes, échauffement du module.

5. Parce qu'elles ne dépendent d'aucun défaut de fabrication : elles découlent du fait que la lumière est faite de quanta d'énergie fixée par la longueur d'onde, et que le matériau possède un fossé énergétique déterminé. On peut les déplacer en changeant $E_{g}$ — mais l'une augmente quand l'autre diminue — ou les contourner en empilant plusieurs jonctions. On ne peut pas les supprimer.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.