S'inscrire identifiants oubliés ?

Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

» lire tous les articles 1 2 3 4 5 6 7 8
sciences en ligne
exploratheque
du premier stage au premier emploi


Des panneaux solaires bifaces
Les cellules photovoltaïques à deux faces permettent d’augmenter le rendement en étant éclairées de part et d’autre.

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut faire tomber la lumière sur un matériau astucieusement conçu. Dans les grandes lignes, un tel matériau est formé par la présence côte à côte d’un semi-conducteur-N et d’un semi-conducteur-P. De quoi s’agit-il ? Un métal possède des électrons libres ou « électrons de conduction » qui en font un conducteur. Au contraire, un isolant n’en possède pas, car tous ses électrons sont engagés dans des liaisons covalentes. On parle « d’électrons de valence ». Entre ces deux extrêmes, il y a les semi-conducteurs dont l’exemple type est le silicium.

Cet élément appartient au groupe IV du tableau périodique et possède ainsi 4 électrons de valence. Il engage donc 4 liaisons avec ses voisins. Un cristal parfait de silicium ne possède donc pas d’électron de conduction. Mais on peut le rendre assez conducteur en remplaçant astucieusement certains atomes de silicium. Ce remplaçant peut être le phosphore, un élément du groupe V. Dans du silicium ainsi « dopé », le cinquième électron de la couche électronique externe du phosphore est en surplus. Ne pouvant s’engager dans aucune liaison avec ses quatre atomes voisins de silicium, il peut devenir libre et participer à la conduction. L’électron étant négatif, on parle de semi-conducteur-N.

On peut aussi doper le silicium avec du Bore, élément du groupe III. Cette fois, il n’y aura pas surplus mais localement un manque d’électron, assimilable à un « trou positif » qui pourra se déplacer comme dans un jeu de taquin et participer à la conduction électrique. C’est un semi-conducteur-P.

Un champ électrique dans le panneau

Une frontière N-P est déséquilibrée, car riche en électrons côté N et en trous côté P. Aussi, un équilibre spontané est atteint par migration d’électrons vers P, et de trous vers N où ils se combinent en ce qui s’appellent des « excitons ». Cela rend P légèrement négatif et N légèrement positif, si bien qu’apparaît un champ électrique E orienté de N vers P. Par effet photoélectrique, la lumière sépare alors les excitons en électrons. Mais en raison de son orientation, E ramène les électrons vers N et les trous vers P, recréant le déséquilibre. Le système retrouve l’équilibre grâce à un circuit extérieur qu’empruntent électrons et trous pour rejoindre P et N respectivement. A la lumière, la jonction PN agit donc comme une pile, appelée photovoltaïque.

Augmenter le rendement : panneaux bifaces

Les panneaux de ce type fonctionnent par leur face orientée vers la lumière. Mais deux chercheurs de l’Université de Purdue (Indiana, USA) viennent de montrer qu’il est possible d’augmenter leur rendement de 15 à 20% avec des panneaux laissant passer la lumière pour récolter l’énergie lumineuse renvoyée par la surface (pierre, végétation…) habituellement à l’ombre, située derrière le panneau. La nouvelle génération de panneaux solaires sera donc biface.

Kamil Fadel
Twitter Facebook Google Plus Linkedin email