Promotion de la Physique dans le Nord - Pas-de-Calais
Date de création : octobre 2012
L’objectif de cet atelier est de faire découvrir les principes de conversion lumière – électricité, en s'appuyant sur l'exemple des cellules photovoltaïques au silicium et sur les cellules à colorant (cellules Grätzel).
Voici la liste du matériel utilisé par cet atelier :
L’atelier est conçu autour d’un cheminement progressif. Le « scénario » ci-dessous est un exemple, ou plutôt une trame de référence qui est bien sûr adaptée en fonction du public.
Notion d’irradiance. L’objectif est d’introduire la notion de l’énergie fournie par la lumière. On dispose pour cela d’un gros projecteur PAR 64 qu’on peut qualifier de « soleil artificiel ». On a aussi un solarimètre, qui fournit directement la puissance disponible par unité de surface (en W/m²). En orientant différemment le solarimètre, ou en l’inclinant, on voit que la puissance dépend de l’orientation et de l’inclinaison. Il y a aussi un globe terrestre qui permet éventuellement d’expliquer pourquoi on est moins favorisé dans le Nord qu’au Sahara…
Notion de densité de flux. L’objectif est d’expliquer que l’énergie se répartit sur différentes couleurs. On a pour ça une petite LED blanche, que le public peut regarder avec des lunettes diffractives : une façon simple de rappeler que la lumière solaire est composée de toutes les couleurs.
L’énergie d’un photon est liée à sa longueur d’onde. L’objectif est de faire comprendre qu’un photon bleu (3 eV) est deux fois plus énergétique qu’un photon rouge (1.5 eV). On reste bien sûr sur du qualitatif, avec une petite manip consistant en deux LEDs (bleu et rouge) que l’on alimente via un variateur de tension. Quand on augmente la tension, la LED rouge s’allume bien avant la LED bleu : il faut fournir plus d’énergie pour émettre des photons bleus que pour émettre des photons rouges.
Un panneau solaire fournit la même énergie quel que soit la couleur de la lumière. L’objectif est de montrer qu’une cellule photovoltaïque convertit seulement une partie de l’énergie reçue. On a pour cela un petit avion à hélice monté sur une tige qui tourne (et alimenté avec un panneau solaire). On a aussi deux filtres bleu et rouge, qui permettent de sélectionner la couleur qui éclaire le panneau. On voit que l’avion ne tourne pas deux fois plus vite quand on met le filtre bleu (il va même un peu moins vite, en fait). Pour info, sur ce dernier point, il faut se souvenir que les photons bleus sont plus vite absorbés par le silicium, et donc moins de photons atteignent la jonction.
Le gap des semi-conducteurs. L’objectif est ici d’expliquer le principe de fonctionnement d’une jonction pn, et comment elle produit de l’électricité quand elle reçoit de la lumière. On va d’abord utiliser un petit dispositif composé de deux bacs superposés. Le bac du bas contient des alvéoles. On a des billes dans les deux bacs : celles du bas sont piégées dans les alvéoles, et celles du haut sont libres. On peut ainsi expliquer la différence entre la bande de valence (en bas) et la bande de conduction (en haut). On peut aussi introduire la notion de gap, en expliquant qu’il faut de l’énergie pour passer du niveau bas au niveau haut, énergie justement fournie par la lumière.
Lors du franchissement du gap, le surplus d’énergie est perdue. L’objectif est d’expliquer que pour passer du niveau bas au niveau haut, il faut fournir un minimum d’énergie. Mais si on en fournit trop, le surplus est perdu. Pour illustrer cela, on utilise un petit flipper : la boule entre en jeu si on fournit un minimum d’énergie via le lanceur. Mais au-delà d’une certaine poussée, la boule entre en jeu, quelle que soit la poussée.
Un panneau est forcément constitué de cellules montées en série. L’objectif est de montrer que le montage des cellules en série est plutôt un inconvénient. Une cellule photovoltaïque délivre une tension en charge de l’ordre de 0,5 V. Pour obtenir une tension facilement exploitable, il faut donc les monter en série. Ce qui signifie qu’il suffit de masquer une cellule pour rendre un panneau inerte. On a pour cela un petit panneau «de type « mécano » de 8 cellules montées en série. Il est facile de montrer qu’en cachant une cellule, on n’a plus de production d’électricité.
Une méthode de fabrication polluante. L’objectif est de montrer que l’aspect durable et vert des cellules au silicium est très relatif. Un petit document disponible sur le stand liste les produits chimiques nécessaires à la fabrication des cellules au silicium, avec leur nocivité. On peut aussi évoquer le fait que la quantité d’électricité nécessaire à la construction d’un panneau est égale à 4 années de production du même panneau, dans le cas d’une installation optimale (ce chiffre est à réactualiser).
Un autre processus de conversion de l’énergie lumineuse : la photosynthèse. L’objectif est d’expliquer que la jonction pn n’est pas la seule méthode pour convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique. Pour expliquer la photosynthèse, il y a des petits modèles moléculaires pour expliquer la réaction chimique de base (eau + CO2 donne glucose + oxygène). Il y a aussi une plante pour illustrer le propos. Le discours est donc essentiellement sans support réel. Il doit tourner autour de la nécessité pour une plante d’acquérir le carbone indispensable à sa croissance. Rappeler qu’une réaction chimique (en l’occurrence ici d’oxydo-réduction) est basée sur l’échange d’électrons, et induit donc aussi une forme d’électricité (fonctionnement des piles).
Les cellules Grätzel. Expliquer le principe des cellules : utiliser un colorant pour convertir la lumière, un semi-conducteur pour « capter » les électrons, un électrolyte pour fermer le circuit. Il n’y a pas de support pour ce point, mais en dehors de la mise en contact du colorant et du semi-conducteur, il n’y a rien de neuf par rapport à ci-dessus.
Les objets fractals. L’objectif est d’expliquer que, parce que le TiO2 a une surface fractale, le processus ne dépend pas de l’angle d’incidence (sauf pour l’irradiance), alors que c’est le cas pour une jonction. Illustrer l’aspect fractal par un objet ou des posters.
Fabrication des cellules Grätzel. L’objectif est d’expliquer que chacun peut faire chez soi une cellule pour quelques euros. On montre dans une vitrine les produits nécessaires à cette réalisation, et on enchaine sur les cellules industrielles (il y a une cellule industrielle pour illustrer).