Lire le spectre solaire

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

Énoncé

On utilise la figure du spectre solaire au niveau du sol avec le seuil du silicium. 1. Vers quelle longueur d'onde le spectre solaire est-il maximal ? À quelle couleur cela correspond-il ? 2. Où se situe le seuil du silicium sur ce spectre ? 3. Estimer la fraction de l'énergie solaire que le silicium peut absorber. 4. Le spectre présente plusieurs creux marqués. À quoi sont-ils dus ? Un capteur photovoltaïque en tire-t-il une conséquence ? 5. On envisage un matériau de $E_{g} = 0, 5 e V$ . Calculer son seuil, dire quelle fraction du spectre il absorberait, puis expliquer pourquoi ce ne serait pourtant pas un bon choix.

Corrigé

1. Le maximum se situe vers $500 nm$ , dans le vert-bleu. Ce n'est pas un hasard : la lumière solaire est celle d'un corps à environ $5800 K$ , et notre œil, adapté à cette lumière, est précisément le plus sensible autour de $550 nm$ .

2. À $1107 nm$ , dans le proche infrarouge, nettement à droite du maximum.

3. Environ les trois quarts : la partie du spectre située à gauche du seuil représente près de $75 %$ de l'aire totale sous la courbe. Le quart restant traverse la cellule sans effet.

4. Ce sont des bandes d'absorption de l'atmosphère : principalement la vapeur d'eau, autour de $940$ , $1130$ , $1400$ et $1900 nm$ , et le dioxygène vers $760 nm$ . Conséquence pratique : il est inutile de concevoir un matériau dont le seuil tomberait au milieu d'un creux, puisque l'énergie disponible y est déjà nulle. On notera aussi que le spectre reçu au sol dépend du lieu, de l'heure et de la météo — d'où la nécessité d'un spectre de référence conventionnel pour comparer les cellules entre elles.

5. $λ_{seuil} = 1240/0, 5 = 2480 nm$ : ce matériau absorberait la quasi-totalité du spectre solaire. Ce serait pourtant un mauvais choix, car la tension délivrée par une cellule est de l'ordre de $E_{g}$ : avec $0, 5 e V$ , chaque photon absorbé ne rendrait qu'une énergie minuscule et tout le reste serait thermalisé. On absorberait presque tout pour n'en tirer presque rien. C'est le compromis calculé par Shockley et Queisser : l'optimum se situe vers $1, 3 e V$ , non aux extrêmes.

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