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Uar
une journée ensoleillée, on réalise l’expérience de charge d’un
téléphone mobile . On mesure la tension U aux bornes du téléphone
mobile et le courant I traversant le circuit : U = 4,8 V et I = 0,84 A.
Capacité de la batterie : 3227 mAh.
Le travail d’extraction nécessaire pour qu’un photon puisse extraire un électron est : DE = h × fS = 1,12 eV où fS est la fréquence minimale du photon. Q1. Décrire
en quelques lignes le phénomène qui intervient dans la conversion
d’énergie lumineuse en énergie électrique lors du fonctionnement du
panneau photovoltaïque. Découvert
en 1839 par A. Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la
transformation de l'énergie lumineuse en énergie électrique. Lorsqu'un
photon suffisamment énergétique frappe la jonction PN au niveau de la
bande de déplétion, il fait passer un électron de la bande de valence à
la bande de conduction, et crée ainsi une paire électron libre - trou
libre. Sous l'action du champ électrique dans la zone de déplétion,
l'électron et le trou vont se déplacer dans le semi-conducteur. Lescellules photovoltaïquesfonctionnent sur ce principe. Q2. Calculer la fréquence seuil fS et la longueur d’onde associée lS d’un photon pour extraire un électron.
E = h fS ; fs = 1,12 x1,6 10-19 / (6,63 10-34) =2,70 1014 Hz. lS =c / fs =3 108 /(2,70 1014)=1,1 10-6 m = 1100 nm. Q3. Montrer alors que le rayonnement solaire convient pour le fonctionnement de ce panneau photovoltaïque.
Le spectre du soleil s'étend de 200 nm à 1400 nm. la valeur 1100 nm appartient à ce domaine.
Le tableau ci-dessous indique l’évolution, à intervalle de temps régulier Dt = 2,0 min, du pourcentage de charge de la batterie de 50 % à 60 % dans l’expérience.
Temps
0
Dt
2 Dt
3 Dt
4 Dt
5 Dt
Charge de la batterie
50 %
52 %
54 %
56 %
58 %
60 %
Q4.
Estimer, en explicitant la démarche utilisée, la valeur de la durée
nécessaire pour une charge complète à partir d’une batterie totalement
déchargée.
En 10 min, la charge passe de 50 % à 60 %.
Durée nécessaire pour une charge complète : 10 x 10 = 100 min= 1,67 heures.
Le relation entre la charge électrique transférée Q et la durée du transfert Dtcharge, pour une intensité électrique I, est donnée par la relation : Q = I × Dtcharge. Q5. Comparer le résultat avec les données de la fiche technique du téléphone mobile.
Q = 0,84 x1,67 = 1,4 Ah = 1400 mAh, valeur très différente de celle annoncée ( 3227 mAh.).
Durant l’expérience, le flux lumineux F mesuré avec un solarimètre est de 570 W·m-2. Q6. Déterminer la valeur de Preçue, la puissance lumineuse reçue par le panneau.
Dimension du panneau : 24,2 cm x 17,8 cm. Surface = 0,242 x0,172 =0,0416 m2.
Preçue =570 x0,0416 =23,72 ~24 W. Q7. À l’aide des mesures réalisées durant l’expérience, déterminer la valeur de Putile, la puissance utile fournie par le panneau.
Putile =U I =4,8 x0,84 =4,0 W. Q8. En déduire h,
le rendement du panneau photovoltaïque. Comparer avec l’indication
donnée par le fabriquant (22,4 % dans des conditions normées
d'éclairage).
Rendement = Putile / Preçue =4 / 24 =0,168 ( ~ 17 %).