WEPPE Alexandre - tpesurlenergiesolaire

WEPPE Alexandre MJABRI Sofiane QUESSARD Robin
1S2 Lycée Clémenceau Nantes 2011/2012
Professeurs encadrant : Mme Cornu
Mr Maury
T.P.E. :
Comment l’énergie lumineuse est-
elle convertie en énergie chimique
dans le cas de la photosynthèse et
en énergie électrique dans le cas
du photovoltaïque ?
Thème : Environnement et progrès
Axes de recherche : Notion d’environnement, notion de progrès

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SOMMAIRE
I- Introduction
II- Captation
1) Les pigments assimilateurs
2) Le silicium amorphe
III- Transformation
1) Les phases photochimiques
2) La jonction P/N
IV- Mise en relation
Annexe : Glossaire
Bibliographie et sitographie

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I- Introduction
Partout où il fait jour, la Terre reçoit en moyenne 1300 kWh/m² d'énergie lumineuse
instantanée provenant du soleil. Dans une situation de crise énergétique liée aux incidents
répétitifs de l'énergie nucléaire et à l'augmentation de la population mondiale qui sera bientôt
de 9 milliards en 2050, l'énergie solaire devra relever les défis du XXIème siècle afin de
permettre l'accès à une énergie propre pour produire l'électricité répondant à la demande sans
cesse croissante et elle devra aussi permettre de nourrir l'humanité grâce à la photosynthèse, la
pierre angulaire du fonctionnement du monde vivant.
Nous verrons ainsi comment cette énergie est transformée en énergie chimique au
cours de la photosynthèse et en énergie électrique grâce aux panneaux solaires à travers deux
cas : une cellule chlorophyllienne et un panneau à base de silicium amorphe. Nous verrons
ensuite si ces deux systèmes de conversion d’énergie sont comparables.
Quelques chiffres et dates :
 Au XVIIIème siècle, on comprend l’importance de la lumière au cours de la
photosynthèse et on découvre que du dioxygène est rejeté et du dioxyde de carbone
assimilé lors du processus.
 En 1839, Antoine Becquerel découvre l'effet photoélectrique, celui-ci sera étudié
avec l'aide de son fils Edmond. L'effet ne sera vraiment pris au sérieux qu'à l'issue de
la Seconde Guerre Mondiale.
 L'effet sera compris par Ernest Rudolf Hertz en 1887 et expliqué par Albert Einstein
en 1905 lorsqu'il propose que l'énergie soit quantifiée.
 Au début du XXème siècle, la structure de la chlorophylle est découverte.
 Au cours des années 1930, Robert Hill parvient à définir les principes d’oxydo-
réduction ayant lieu au sein de la cellule chlorophyllienne.
 En 1954, la NASA crée les premiers panneaux photovoltaïques à haut rendement. Le
photovoltaïque est créé, c'est une branche découlant de l'effet photoélectrique.
 En 1958, la NASA envoie le premier satellite entretenu grâce à l'énergie
photovoltaïque. Les panneaux ont alors un rendement de 9%
 En 1961, Melvin Calvin reçoit le Prix Nobel de chimie pour ses travaux sur la
photosynthèse. Il laissera son nom au cycle de Calvin.
 En 1973, l'université du Delaware (Etats-Unis) crée la première maison entretenue en
électricité uniquement par des panneaux photovoltaïques.
 En 1983, une voiture fonctionnant à l'énergie solaire parcourt 4.000 km en Australie.
 Des chercheurs ont récemment fait le lien entre l’étonnant rendement des photons
atteignant leur « but » chez des algues marines avec les propriétés de la cohérence
quantique. Ce principe pourrait s’appliquer à toutes les cellules chlorophylliennes
mais sans certitude.

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I-Captation
1- Les thylakoïdes
a- Localisation
La photosynthèse permet la conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique à partir
de minéraux par les végétaux et certaines algues et cyanobactéries. Les cellules végétales
chlorophylliennes permettent ce phénomène chez la majorité du règne végétale terrestre. Ce
sont des structures complexes faites d’un noyau, d’une ou plusieurs vacuoles, de
mitochondries, d’un cytoplasme ainsi que de multiples autres organites parmi lesquelles les
plastes. Dans cette famille d’organites, le chloroplaste* permet à ces cellules le déroulement
de la photosynthèse. En effet, à l’intérieur d’un chloroplaste on trouve les thylakoïdes*, de
petites poches regroupées en grana et baignant dans le stroma*, le liquide intra-
chloroplastique. C’est sur la membrane des thylakoïdes que se situent les structures
complexes permettant la photosynthèse.
Schéma d’un chloroplaste
Source : cours-pharmacie.com
b- Les pigments chlorophylliens
Dans la membrane de ces thylakoïdes se trouvent les pigments assimilateurs parmi
lesquels les chlorophylles a et b quasi-similaires à la différence d’un groupe O=CH pour la
chlorophylle b qui est remplacé par un groupe CH4 chez la a. Il y a aussi les xanthophylles et
la β-carotène. Ces pigments sont ordonnés dans une « antenne » de photosystème qui collecte
l’énergie lumineuse avec en son centre une molécule de chlorophylle a appelée centre
réactionnel. L’antenne avec son centre réactionnel forment un photosystème*.
Note : Il existe aussi les chlorophylles c1, c2, d et f qui existent chez diverses algues et cyanobactéries.

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c- Du photon à l’électron
Ainsi, lorsqu’un photon (grain de lumière) d’une énergie hν vient frapper une molécule
de chlorophylle en périphérie de l’antenne, il lui transmet son énergie sous forme d’excitation
électronique. C’est-à-dire que la molécule passe de son état fondamental E0 à un état excité
E1 ou E2, c’est un électron d’une double liaison conjuguée C=C du noyau tétrapyrrolique de
la molécule qui subit la transition électronique provoquée par l’absorption d’un photon. La
molécule de chlorophylle est en effet constituée d’un noyau fait de 4 pyrroles* et d’une
chaîne de doubles liaisons conjuguées de carbone et d’hydrogène.
Représentation topologique du noyau tétrapyrrolique de la chlorophylle
Source : snv-jussieu.fr
Note : La chaîne de doubles liaisons est représentée par H39C20
La molécule en état E2 passe à l’état d’énergie moindre E1 en quelques nanosecondes en
libérant un photon. Il y a alors 3 possibilités pour une molécule en E1 pour se désexciter.
Dans le premier cas elle se désexcite et libère un photon d’énergie égale à celui faisant
passer la molécule de l’état E0 à E1. C’est une radiation rouge de longueur d’onde 720 nm.
C’est le principe de fluorescence*, il n’a lieu que pour les molécules mal ordonnées dans
l’antenne.
Dans le second cas, la molécule de désexcite en excitant simultanément une molécule
voisine. L’excitation se répand alors d’une molécule à une autre jusqu’au centre réactionnel,
c’est la molécule de chlorophylle a au centre de l’antenne. C’est le principe de résonnance
qui permet à l’antenne de remplir sa fonction « collectrice » de photons afin de cibler
l’énergie lumineuse sur le centre réactionnel pour qu’il puisse réaliser le troisième cas de
désexcitation.
Un pyrrole