Semi-conducteur

(Super j’ai passé un quart d’heure à répondre et le formulaire a buggé.. je recommence ^^)

Pour ce qui est de l’explication de l’effet de la température sur les panneaux photovoltaïques, à prendre avec des pincettes quand même parce que mes cours de physique des composants sont un peu loin maintenant ..  :

• d’un point de vue formel, un panneau photovoltaïque est en gros une jonction PN c’est-à-dire une superposition de deux couches de semi-conducteur, l’une dopée en électrons et l’autre en trous ; cf ce lien http://jeldev.org/5ALI.pdf, la formule 4 indique que la barrière de potentiel dans une telle jonction PN est proportionnelle à la température, autrement dit en gros plus la température augmente, plus la jonction est isolante

• d’un point de vue un peu plus intuitif, dans une jonction PN le principe c’est que le dopage des deux couches provoque une concentration des porteurs de charges (électrons et trous) au niveau de la jonction entre ces deux couches, avec une zone concentrée en - et une zone concentrée en +, ce qui crée un champ électrique et ce qui est à la base du comportement de la jonction. Augmenter la température c’est augmenter l’agitation thermique des particules, donc désordonner un peu cette jonction, les porteurs de charges sont moins bien concentrés et confinés au niveau de la jonction vu qu’ils sont plus agités, donc le champ électrique est moins important et la jonction marche moins bien.. (pour moi c’est ça, mais encore une fois c’est en gros)

Pour ce qui est de la quantification de l’effet de la température sur le rendement des panneaux photovoltaïques, j’ai trouvé plusieurs sources qui donnent à peu près le même chiffre : tu perds environ un demi-pourcent de rendement à chaque °C.

"Un panneau photovoltaïque dont la température de surface dépasse 25 degrés, perd un demi pourcent de rendement par degré supplémentaire au dessus de 25 degrés. Donc, par exemple, un panneau qui aurait une température de surface de 85 degrés, donc je dis bien la température de surface du panneau, aurait une perte de rendement de 30%.", sachant qu’en plein soleil on atteint vite ce genre de températures pour les surfaces, il suffit de voir en été le bitume des routes qui fond parfois..

Les liens que j’ai trouvés : - https://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=16697#c20556 - http://photovoltaique.guidenr.fr/III_3_effet-temperature-module-photovoltaique.php - http://lenergeek.com/2013/08/07/grosse-chaleur-pourquoi-le-rendement-des-panneaux-solaires-baisse/

Si les panneaux sont refroidis, j’y connais pas grand chose mais je pense que pas vraiment, en tous cas pas avec des moyens aussi hardcore que de l’azote. On essaye juste de les installer dans une zone un minimum aérée.. peut-être que dans le sahara on les équipe de radiateurs à l’arrière je ne sais pas trop, peut-être même pas.. ? Si tu regardes les sites des vendeurs de panneaux, souvent on parle de refroidissement naturel, en gros par circulation de l’air (t’as toujours un peu de vent en extérieur, même très faible).

En fait l’importance de la température dépend surtout de ce que tu veux faire. D’un coté comme dit par Society l’agitation thermique de-organise la structure de bande des semi conducteur jonction, les rendant moins conducteur. D’un autre coté lorsque le gap est faible (faible par apport à la température, si j’ose…) l’agitation thermique peut faire naturellement passer des électrons dans la bande de valence ce qui peut avoir des conséquences nuisible.

Par exemple pour des diodes ou transistor, un changement de température dans une gamme usuelle n’a pas grande importance. En effet ces composants utilisent le fait que le semi conducteur à un comportement dual. C’est a dire qu’en fonction de la polarisation qu’on lui applique il n’a pas le même comportement :

• Diode : le courant ne passe que dans un sens, dans l’autre il a un tension seuil en dessous de la quelle le courant ne passe pas.
• Transistor : le transistor laisse passer le courant uniquement si on applique une tension au semi-conducteur (autrement dit : on fournis assez d’énergie aux électron de la bande de valence pour aller dans la bande de conduction)
• LED : est une diode particulière. En sens passant les recombinaisons sont radiatives.

Par contre si tu veux utiliser le semi-conducteur comme détecteur, la température peux avoir une influence négative. Dans ce cas, détecteur CCD (camera, appareille photo) ou détecteur en physique nucléaire, le principe est toujours le même. Une particule incidente, photon, alpha, proton… viens taper le semi-conducteur et y libère son énergie cinétique. Celle-ci est transmise aux électrons, leur permettant de passer dans la bande de conduction, le détecteur étant sous tension ces charges sont collectées, le signal obtenu peut être relié à la quantité d’énergie reçu (pour une détecteur bien réglé, c’est quasi linéaire).

Dans ce cas un refroidissement peut être nécessaire. Exemple en physique nucléaire pour les détecteurs germaniums : comme le gap est de faible énergie et que la densité d’électron est importante, il y a beaucoup d’électrons qui du à l’agitation thermique sont naturellement envoyé dans la zone conductrice, ce qui a pour conséquence de crée un courant continu et cela empêche la détection de particule (quand une particule va crée un petit courant, il va s’ajouter a ce courant continu et va être noyé dans le bruit). Il est donc nécessaire de refroidir le détecteur pour limiter cet effet. Les germanium sont des détecteurs refroidi à l’azote. Par contre pour les détecteur silicium, il n’y a pas ce besoin. Le gap est plus grand et la densité de porteur de charge est plus faible : naturellement moins d’électron transitent vers la bande de conduction.

Le semi-conducteur silicium utilisé pour les capteurs CCD fonction également très bien à température ambiante et pour les usages courant. Mais si la température monte trop il faut s’attendre a avoir une augmentation du bruit sur l’image.

En gros les deux point principaux à retenir sont :

1. La température augmente le nombre de transitions spontanée de la bande de valence vers conduction. Donc si on applique une tension au semi conducteur on s’attend à voir un courant de fuite de plus en plus important avec la température
2. Dans le cas de jonction NP la température désorganise la structure de bande et le gap augmente, rendant le semi conducteur moins conducteur.

Et comme tu le dis il y a maintenant tellement de semi conducteur différents et spécialisé que c’est devenu assez complexe et la ou il y a 30ans il aurait fallu refroidir, il n’y a plus forcement besoin.

Faut voir si la perte de rendement liée à la chaleur est compensée ou pas par le rendement apporté par le taux d’ensoleillement. Il faut aussi faire intervenir des facteurs économiques et stratégiques. Au final je ne sais pas si ça vaut le coup d’installer des panneaux dans les déserts, mais je pense que si. On a déjà parlé de fermes solaires dans le sahara, si on en parle c’est que c’est intéressant. Après faut voir si c’est mieux d’installer des panneaux photovoltaïques ou des centrales solaires à base de miroirs…

Oui, bien vu pour l’unité, ce sont effectivement Na le nombre d’Accepteurs (d’électrons), c’est-à-dire les trous c’est-à-dire les charges +, et Nd le nombre de Donneurs (d’électrons toujours), c’est-à-dire les électrons libres c’est-à-dire les charges -.

(cf https://fr.wikipedia.org/wiki/Jonction_P-N https://www.youtube.com/watch?v=XB07G6zeR3g si tu veux + de détails.. google is your friend )