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[TPE : Maison Autonome] Electron libre ? Trou d'électrons ?



  1. #1
    MaGTPE

    [TPE : Maison Autonome] Electron libre ? Trou d'électrons ?


    ------

    Bonjour,

    Elève de première S (ayant redoublé pour préparer un meilleur dossier), je prépare depuis plusieurs mois maintenant un TPE sur les maison Autonome. En faite nous sommes partis d'une maison basique (la mienne) et nous souhaiterons la rendre la plus autonome, au niveau de l'eau, et de l'électricité.

    Nos recherches nous amène à nous intéressé aux panneaux solaires photovoltaïque (incontournable), et aux DEL.

    Dans notre TPE, nous souhaitons présenté chaque "concept" de la manière suivante :

    - Principe de fonctionnement :
    - Schématisation :
    - Expérience : (afin de concrétise nos explications)
    - Conclusion/Ce que cela apporterais à la maison/les changements :

    En faite si je poste ici, c'est que j'ai un gros problème au niveau des deux premiers points concernant les panneaux solaires photovoltaïque (incontournable), et au DEL. En faite ma principale source est wikipedia (mauvais choix peut-être), et dans les deux articles qui me décrivent le mécanismes, on me parle d'électrons libre (çà Ok çà pas très compliquer), mais ensuite de trou d'électrons, puis de Zone P, de Zone N et de jonction PN et là j'avoue que je suis perdue.

    Je cite ici les articles en questions :
    1. Cellules photovoltalique
      Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un "trou". Normalement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaitra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme une pile.

      Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N :
      Structure d'une cellule photovoltaïque

      * La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N[2]. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge positive.

      * La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P[3]. Cette couche possèdera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).

      Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'Espace ( ZCE ) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.

      En fonctionnement, quand un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif ), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif ). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons ou trous) puisqu'ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est forcément très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule[4].

      En somme, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode.

      Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, etc.

      Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions.
    2. Diode
      C’est lors de la recombinaison d’un électron et d’un trou dans un semiconducteur qu’il y a émission d’un photon. En effet, la transition d’un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d’onde \vec{k}. Elle est alors radiative (émissive) et elle s’accompagne de l’émission d’un photon. Dans une transition émissive, l’énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d’énergie avant (E>i) et après (Ef) la transition :
      hν = Ei − Ef (eV)
      Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c’est la plus radiative.


    Afin d'essayer de comprendre ce phénomène, j'ai fait des recherches sur le dopage de semi conducteur mais celà ne m'as pas aider (au contraire).

    Quelqu'un pourrais-t-il me diriger vers un cours sur les trou d'électrons, les Zone P, Zone N, dopage etc. ?
    Certains se sentent-ils l'âme de m'aider à comprendre ce principe ?


    Merci de votre aide.
    # MaG.

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    Dernière modification par MaGTPE ; 28/11/2009 à 18h10.

  2. #2
    Franzzzzzzzz

    Re : [TPE : Maison Autonome] Electron libre ? Trou d'électrons ?

    Bonjour,

    je ne suis pas sûr que tu sois vraiment obligé de rentrer dans tous ces détails, qui sont en plus d'un niveau nettement supérieur à la première S. Je te donne vite fait quelques informations sur ce que tu demandes, ça devrait t'aider à comprendre.
    L'électronique est à base de silicium, qui a 4 électrons sur sa couche extérieur de valence, comme le carbone donc. Dans un cristal de silicium, chaque atome a donc 4 liaisons covalentes avec ses voisins, tous les électrons sont occupés, il n'y a pas conduction de l'électricité. Le dopage, c'est le fait de rajouter en très faibles quantité des impuretés dans le silicium extrêmement pur.
    Dopage N : quand on rajoute du phosphore (par exemple) en très petite quantité dans le silicium. Celui-ci forme 4 liaisons avec les Si qui sont autour, mais il lui reste un électron tout seul sur sa couche de valence. Cet électrons est donc un électron libre.
    Dopage P : quand on rajoute de l'aluminum en très petite quantité. L'Al a 3 électrons sur la couche de valence. Il va donc former seulement 3 liaisons avec les Si autour. Mais du coup, il va y avoir un Si qui va se retrouver avec un électron tout seul, qui n'a qu'une seule envie c'est de former une paire pour ammener l'Al à 4 liaisons. Il va donc piquer un électron à une autre liaison. Mais du coup cette autre liaison va aussi vouloir prendre un électron ailleurs. De proche en proche, cela revient globalement à ce qu'une chaque POSITIVE se déplace d'atome en atome de cette manière. Cela revient à avoir un "électron libre positif". On dit qu'un a un trou.
    Après, la jonction P-N c'est évidemment quand tu mets l'un à côté de l'autre chaque type de dopage. Je ne m'y connais pas suffisament pour te l'expliquer comme ça par contre.

    Bon courage.

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