Une Histoire de l’Effet Photoélectrique et de Son Rôle dans le Photovoltaïque solaire

Les cellules solaires sont alimentées par la lumière du soleil. Sachant cela, la première question que nous devrions poser est « qu’est-ce que la lumière? »suivi de près par »comment est-il possible de convertir la lumière en électricité? » Il n’est pas facile de répondre à ces questions.

Comprendre la nature de la lumière a été une tâche difficile pendant des siècles de philosophes et de scientifiques travaillant sur ce sujet. L’optique est l’une des disciplines les plus anciennes étudiées par les hommes, et le processus de conversion de la lumière en électricité a commencé à partir d’une observation occasionnelle.

Loin d’être une étude formelle de la physique quantique, cet article vise à enseigner les découvertes clés de certains des scientifiques et philosophes qui ont consacré leurs travaux à l’étude de la lumière et de ses applications. Il jette les bases pour comprendre comment les cellules solaires peuvent convertir la lumière en courant électrique.

Remarque: Les systèmes d’unités utilisés dans cet article sont le Système International d’Unités (SI) et les unités acceptées pour utilisation avec le SI.

Les débuts de la compréhension de la Lumière

On sait que la recherche sur la nature de la lumière commence dans la Grèce antique, où des philosophes comme Platon, Socrate, Aristote, Pythagore et Euclide (Optique) ont donné des opinions sur la question. À l’époque médiévale dans le monde islamique, des scientifiques comme Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasn Ibn Al Haytham, connu maintenant sous le nom d’Alhazen, ont travaillé sur les théories de la lumière et de la vision.

Des années 1600 aux années 1930, de nombreux scientifiques célèbres ont également fait des pas importants vers notre compréhension de ce qu’est la lumière et de son fonctionnement. En 1672, Isaac Newton a déclaré que les particules, et non les ondes, fabriquent la lumière (théorie corpusculaire). Christiaan Huygens, Thomas Young et Augustin-Jean Fresnel croyaient que la lumière était une onde. James Clerk Maxwell a théoriquement prédit l’existence d’ondes électromagnétiques. Max Planck pensait que les corps noirs émettaient de l’énergie en paquets discrets, et Albert Einstein prétendait que la lumière venait en faisceaux d’énergie.

Prouver que la lumière se déplace en ondes

En 1678, Christiaan Huygens a développé une technique utile pour définir comment et où les ondes lumineuses se propagent. Le principe de Huygens selon lequel la lumière traverse une fente a contribué à prouver que la lumière est une onde. Cependant, à cette époque, ce principe n’était pas considéré comme une preuve suffisante pour montrer que la lumière était une onde, principalement en raison du désaccord d’Isaac Newton et de sa réputation parmi la société scientifique.

En 1801, Thomas Young a fait son expérience d’interférence à double fente. Cette expérience a montré que les ondes de lumière traversant deux fentes se chevauchent (s’additionnent ou s’annulent) et forment un motif d’interférence. Les ondes d’eau, les ondes sonores et les ondes de tous types différents affichent ce même phénomène d’interférence. Les résultats de cette expérience ont prouvé le caractère ondulatoire de la lumière.

En 1865, James Clerk Maxwell a montré dans sa publication Une Théorie dynamique du Champ électromagnétique qu’un faisceau de lumière est une onde mobile de champs électriques et magnétiques, c’est-à-dire une onde électromagnétique. En comparant la vitesse des ondes à la vitesse de la lumière, telle que mesurée par Fizeau et Foucault, il conclut:

« L’accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont des affections de la même substance et que la lumière est une perturbation électromagnétique propagée à travers le champ, selon les lois électromagnétiques. »

La théorie des ondes de Huygens pour la lumière était mathématiquement moins compliquée que la théorie électromagnétique de Maxwell.

Calcul de la longueur d’onde et de la fréquence de la lumière

La couleur de la lumière dépend de la longueur d’onde, comprenant la lumière comme une onde électromagnétique. Dans une onde périodique, la longueur d’onde (λ) est la distance de crête à crête ou de creux à creux sur la forme de l’onde. Les unités de longueur d’onde habituelles sont les mètres, les centimètres, les millimètres et les nanomètres.

Dans le spectre visible, le violet a la longueur d’onde la plus courte et le rouge la plus longue. La longueur d’onde du rayonnement ultraviolet (UV) est plus courte que celle de la lumière violette. De même, la longueur d’onde du rayonnement infrarouge est plus longue que la longueur d’onde de la lumière rouge.

Figure 1. Le spectre visible est la partie du spectre électromagnétique visible à l’œil humain. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Université d’État du Michigan.

La fréquence d’onde f est le nombre d’ondes qui passent un point fixe par unité de temps, mesuré en Hertz (Hz). Un Hertz équivaut à une onde passant un point fixe en une seconde. L’ancien terme cycles par seconde est toujours utilisé.

La période T = 1/f est le temps qu’il faut à une onde périodique pour parcourir un cycle complet de son mouvement. L’unité SI est la ou les secondes.

Il est essentiel de souligner qu’avant de relier les concepts de longueur d’onde, de fréquence et de période, la lumière est une onde mobile. Une onde mobile se déplace dans une direction et parcourt une distance d’une longueur d’onde λ en un temps égal à une période T. Si elle se déplace, elle a une vitesse v. Cette vitesse est liée à la fréquence et à la longueur d’onde à travers l’expression v = λ /T = λ ·f.

La vitesse acceptée de la lumière est de 299 792 458 m /s, arrondie à 2,998 x 10⁸, et exprimée en c. Chaque fois que la conversion de la longueur d’onde en fréquence (ou vice versa) est requise, l’expression c = λ ·f est utilisée.

Figure 2. Un diagramme des ondes électromagnétiques. Image reproduite avec l’aimable autorisation du Service météorologique national.

Le spectre électromagnétique est séparé par ordre de longueur d’onde croissante dans les régions suivantes: rayons gamma, rayons X, ultraviolets, lumière visible, infrarouges, micro-ondes et ondes radio. L’énergie électromagnétique du soleil se compose principalement de longueurs d’onde visibles et infrarouges, avec de petites quantités de rayonnement ultraviolet, micro-ondes et ondes radio.

Figure 3.Couleurs et longueurs d’onde de la lumière visible.

Les couleurs et longueurs d’onde de la lumière visible sont:

• Violet (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Bleu (450-495 nm)
• Vert (495-570 nm)
• Jaune (570-590 nm)
• Orange ( 590-620 nm)
• Rouge (620-750 nm)

L’œil humain perçoit ce mélange de couleurs comme du blanc, avec des longueurs d’onde de 400 nm à 750 nm. La lumière blanche se compose de composants provenant de pratiquement toutes les couleurs du spectre visible avec des intensités à peu près uniformes. Une fois passée à travers un prisme, la lumière blanche est diffractée dans toutes les couleurs.

Figure 4. La lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs de lumière.

Newton a été le premier à réussir à séparer la lumière solaire blanche en ses composantes colorées.

Rayonnement du Corps noir et Constante de Planck

En 1860, Gustav Kirchhoff déclare que certains objets absorbent puis émettent toute l’énergie qui les frappe. Il a appelé cet événement rayonnement du corps noir. Kirchhoff et Robert Bunsen ont étudié le spectre solaire et publié un article en 1861, dans lequel ils ont identifié les éléments chimiques de l’atmosphère du soleil et les spectres de ces éléments. Kirchhoff a reçu la médaille Rumford pour ses recherches sur ce sujet en 1862.

En 1900, Max Planck a effectué une étude approfondie du rayonnement du corps noir et a conclu que la quantité d’énergie rayonnée était proportionnelle à la fréquence des ondes électromagnétiques absorbées par le corps noir. Cette émission d’énergie était sous la forme de petits paquets discrets d’énergie qu’il appelait « quanta » (quantum est la forme singulière, du latin pour « combien, combien »). Ces quanta ne pouvaient acquérir que des valeurs discrètes spécifiques en multiples d’une constante. Aujourd’hui, ce concept est connu sous le nom de constante de Planck.

En 1901, Planck a montré que l’hypothèse de l’énergie radiante consiste en un nombre intégral d' » éléments énergétiques.” L’élément d’énergie E doit être proportionnel à la fréquence f, ainsi :

E= h·f

où :

E= élément d’énergie

h = constante de Planck (6,626 10ˉ3⁴J s)

f = fréquence du rayonnement électromagnétique

Ces valeurs sont dites quantifiées, et ceci la démonstration a été la première étape cruciale du développement de la physique quantique, qui étudie la nature des particules élémentaires minuscules. C’était la première fois que quelqu’un remarquait l’énergie quantifiée.

Cependant, Planck ne croyait pas que le rayonnement était décomposé en petits morceaux, comme l’a montré son analyse mathématique. Il considérait E = h * f comme une astuce mathématique ou une commodité qui lui donnait les bonnes réponses pour résoudre un problème technique avec les corps noirs, et ne semble jamais avoir réfléchi profondément à sa signification physique. Dans ses propres mots:

« Si le quantum d’action était une quantité fictive, alors toute la déduction de la loi de rayonnement était dans l’essentiel illusoire et ne représentait rien de plus qu’un jeu vide non significatif sur les formules. »

Hertz et Hallwachs Travaillent pour comprendre l’effet photoélectrique

L’effet photoélectrique est étudié depuis de nombreuses années et n’est pas encore entièrement compris.

En 1887, Heinrich Hertz a conçu des expériences avec un générateur d’éclateur pour tester l’hypothèse de Maxwell. Ces expériences ont produit la première émission et réception d’ondes électromagnétiques.

Les étincelles générées entre deux petites sphères métalliques dans un émetteur induisaient des étincelles qui sautaient entre deux boutons en laiton poli dans une boucle de fil de cuivre qui fonctionnait comme un récepteur. Une petite étincelle a sauté entre ces deux électrodes. Hertz a remarqué qu’il pouvait rendre l’étincelle du récepteur plus vigoureuse en éclairant les électrodes avec de la lumière ultraviolette. Il n’a créé aucune théorie pouvant expliquer le phénomène observé, mais c’était la première observation de l’effet photoélectrique.

Un an plus tard, Wilhelm Hallwachs a confirmé ces résultats et a montré que la lumière ultraviolette qui brille sur une ampoule de quartz sous vide avec deux plaques de zinc comme électrodes et connectée à une batterie générait un courant dû à l’émission d’électrons, ou courant photoélectrique.

Stoletov et l’Effet photo

De 1888 à 1891, le physicien russe Alexander Stoletov a effectué une analyse de l’effet photo. Il a découvert la proportionnalité directe entre l’intensité de la lumière et le courant photoélectrique induit. Aujourd’hui, c’est ce qu’on appelle la loi de Stoletov.

La découverte des électrons

En 1897, JJ Thomson a découvert des électrons, qu’il a appelés « corpuscules. »Il a ensuite proposé un modèle pour la structure de l’atome, populairement connu sous le nom de « modèle de pouding aux prunes” car il s’agissait d’une sphère uniforme de matière chargée positivement avec des électrons intégrés. En 1899, il a montré que la sensibilité accrue dans les expériences de Hertz était le résultat de la poussée de la lumière sur les corpuscules. Thomson a reconnu que les UV provoquaient l’émission d’électrons, les mêmes particules que celles présentes dans les rayons cathodiques.

En 1911, Rutherford, étudiant de JJ Thomson, a proposé un modèle qui décrivait l’atome comme un noyau chargé positivement (noyau) concentrant presque toute la masse et autour duquel les électrons (charges négatives) circulent à une certaine distance, comme un système planétaire.

En 1899, Philipp Lenard a montré que l’irradiation des métaux par la lumière ultraviolette peut produire une émission de charges négatives ou de photoélectrons. Il a constaté que l’énergie cinétique des photoélectrons émis était indépendante de l’intensité de la lumière de même fréquence. Pourtant, en accord avec la loi de conservation de l’énergie, plus de photoélectrons ont été éjectés par une source lumineuse que par une source faible.

Comment Einstein a combiné les Corpuscules de Newton et les éléments énergétiques de Planck

Albert Einstein a tenté d’expliquer l’effet photoélectrique en ressuscitant l’idée de corpuscules de lumière préconisée par Isaac Newton. De plus, en 1905, il fut le premier scientifique à prendre au sérieux les éléments énergétiques de Planck, proposant que la lumière vienne en faisceaux d’énergie. Dans un faisceau, il y a des faisceaux de « quanta. »Il n’a pas dit que la lumière est une « particule. »Selon Einstein, une énergie « quantique légère » eᵧ est :

eᵧ=h ·f

où, comme précédemment :

h = constante de Planck (6,626 10ˉ3⁴J s)

f = fréquence du rayonnement électromagnétique

Einstein a reconnu que le modèle de Planck était réel. Ce que nous percevons comme une onde continue de rayonnement électromagnétique est un flux de quanta discrets. Cette formule essentielle pour la physique quantique est également connue sous le nom de relation de Planck-Einstein, ce qui donne également du crédit aux travaux de Planck.

La prédiction d’Einstein était:

Eē= ½·m·v2= eᵧ-W= h·f-W

où:

Eē = énergie de l’électron

v = vitesse de l’électron

m = masse de l’électron

eᵧ = énergie du quantum lumineux

W = fonction de travail (constante dépendante du métal)

La fonction de travail W est l’énergie nécessaire pour libérer un électron d’un métal spécifique (une sorte d’énergie de libération). Cela dépend du métal, de sa structure cristalline et du polissage de la surface.

Einstein a déclaré que lorsqu’un quantum de lumière fournit de l’énergie Eᵧ au métal, une partie va à la fonction de travail et le reste va aux électrons sous forme d’énergie cinétique. Les métaux libèrent des électrons avec une vitesse nulle si l’énergie fournie est précisément sa fonction de travail. Nous pouvons également juger à partir de cette équation que toutes les fréquences lumineuses ne libéreront pas d’électrons sur un métal particulier.

Les données expérimentales étaient alors inexactes, et c’est après dix ans de mesures de l’énergie des photoélectrons que, en 1916, Robert Andrews Millikan a vérifié la conjecture d’Einstein.

Einstein a également proposé que les quanta aient un élan. En 1917, il développa sa théorie en attribuant un élan de p = eᵧ/c = h·f/c = h/λ au quantum de lumière. Ce n’est qu’alors qu’il avait les propriétés d’une particule réelle. Il a confirmé que la lumière se comporte comme des ondes et comme des particules.

En 1921, Einstein a reçu le Prix Nobel de physique pour « ses services à la Physique théorique, et en particulier pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique. » Il l’a reçu un an plus tard, en 1922.

En 1923, Compton a validé expérimentalement les hypothèses sur l’énergie quantique et l’élan de la lumière, en utilisant son expérience de diffusion et en bombardant des électrons avec des quanta de rayons X.

La découverte des photons par Gilbert Lewis

Bien que l’on puisse entendre et comprendre le terme quantique de la lumière, il est d’usage de parler et d’écrire sur les photons. En 1926, Gilbert Lewis, un chimiste physique, a proposé qu’au lieu du quantum de lumière, on devrait considérer un nouveau type d’atome — ce qu’il a appelé un photon — comme porteur de lumière.

Cependant, le photon de Lewis était un concept qui divergeait des propositions d’Einstein. L’histoire est trop longue pour être décrite ici, mais à partir de la fin des années 1920, les physiciens considéraient le terme photon comme un synonyme approprié du quantum de lumière introduit par Einstein en 1905.

L’effet photoélectrique se produit lorsque la lumière brille sur un métal. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figure 5. L’effet photoélectrique se produit lorsque la lumière brille sur un métal. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Revue: Propriétés de l’Effet photoélectrique

Les propriétés suivantes résument les observations expérimentales sur l’effet photoélectrique:

• Les plaques métalliques polies irradiées par la lumière peuvent émettre des électrons, appelés photoélectrons, créant un courant photoélectrique.
• Pour un matériau photosensible donné, il existe une fréquence critique de la lumière en dessous de laquelle rien ne se passe. À mesure que la fréquence augmente, le processus commence à fonctionner, libérant des photoélectrons. Cette grandeur est la fréquence de seuil Fₒ, et il n’y a de courant que pour f > fₒ, quelle que soit l’intensité. Fₒ dépend du métal, de son état de surface (c’est-à-dire de son degré de polissage) et des électrons libres dans la structure cristalline du métal.
• L’amplitude du courant est directement proportionnelle à l’intensité de la lumière, à condition que f>fₒ.
• Une propriété cruciale est que l’énergie des photoélectrons est indépendante de l’intensité de la lumière.
• L’énergie des photoélectrons augmente linéairement avec la fréquence de la lumière. Cette propriété de l’effet photoélectrique n’est pas facile à comprendre, considérant la lumière comme une onde. Einstein a trouvé une réponse: la lumière vient en paquets d’énergie.

Il est important de comprendre la nature de la lumière ainsi que le phénomène par lequel la lumière peut produire de l’énergie électrique pour mieux comprendre le fonctionnement des cellules solaires.

La lumière se comporte comme des ondes et des particules. La lumière brillait sur le métal expulse les électrons de sa surface. Ce phénomène est l’effet photoélectrique, et les électrons sont appelés photoélectrons. Les expériences indiquent qu’en augmentant la fréquence de la lumière, l’énergie cinétique des photoélectrons augmente et, en intensifiant la lumière, le courant augmente.