Applications technologiques des photons : lasers et cellules photovoltaïques

Première générale Spé · Physique-Chimie Spé 1ère

À retenir

• Laser : émission stimulée, lumière monochromatique, directive, de forte puissance surfacique. • Cellule photovoltaïque : un photon d'énergie E_g libère un électron (E_g = 1,12 eV pour le silicium). • Seuil : _ = hc/E_g ; rendement = P_élecP_reçue, environ 20\ \%.

Le cours

1. Le laser Le mot laser vient de l'anglais et signifie « amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement ». Un photon dont l'énergie correspond exactement à une transition peut provoquer la désexcitation d'un atome excité : l'atome émet alors un second photon identique au premier (même énergie, même direction, même phase). C'est l'émission stimulée. Un apport d'énergie (le pompage) maintient beaucoup d'atomes dans l'état excité, et deux miroirs renvoient les photons dans le milieu : la lumière s'amplifie en cascade. Lumière monochromatique (une seule longueur d'onde) ; faisceau très directif, peu divergent ; énergie concentrée sur une petite surface : forte puissance surfacique. Usages : lecture optique, télémétrie, chirurgie de l'œil, découpe, télécommunications par fibre optique. 2. La cellule photovoltaïque Une cellule photovoltaïque est un semi-conducteur (souvent du silicium). Un photon absorbé dont l'énergie dépasse l'énergie de gap E_g du matériau (1,12 eV pour le silicium) libère un électron qui peut circuler : la lumière est convertie directement en électricité. Conversion possible si hc/ E_g = P_électriqueP_lumineuse reçue Les photons d'énergie inférieure à E_g ne sont pas convertis, et l'excédent d'énergie des photons plus énergétiques est perdu en chaleur : le rendement des panneaux courants est d'environ 20\ \%. 3. Méthode 1. Pour un seuil : _ = hc/E_g avec E_g en joules. 2. Pour un rendement : calculer la puissance reçue P = éclairement surface (surface en m²), puis = P_élecP. 3. Pour un laser : nombre de photons par seconde N = P/E, puissance surfacique P/S. 4. Attention Ne jamais regarder un faisceau laser, même de faible puissance : le cristallin le concentre sur une minuscule tache de la rétine, qu'il peut brûler.

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