La lumière : un flux de photons

Le modèle particulaire du photon

Dans le modèle particulaire, un photon associé à un rayonnement monochromatique de fréquence ν ou de longueur d'onde $\lambda$ dans le vide possède des caractéristiques spécifiques.

Caractéristiques du photon

• Possède une masse nulle
• Se déplace à la vitesse de la lumière $c = 3,00 \cdot 10^8 ~\text{m.s}^{-1}$ dans le vide
• A une énergie $E = h \times \nu$ avec :
  • $E$ en J (joules)
  • $h$ constante de Planck $= 6,63 \cdot 10^{-34}~ \text{J.s}$
  • $\nu$ fréquence en Hz (hertz)

L'effet photoélectrique

Quand un métal est exposé à la lumière, des électrons peuvent être éjectés de la surface du métal ; ce phénomène est appelé effet photoélectrique.

Le travail d'extraction

Le travail d'extraction, $\rm W_{extraction}$, est la valeur minimale de l'énergie nécessaire à fournir à un matériau pour en extraire un électron ; la valeur de $\rm W_{extraction}$ dépend du métal.

Formule du travail d'extraction :
$$\rm W_{extraction} = h \times \nu_{seuil~extraction}$$

Conservation de l'énergie

L'énergie du photon incident est égale à la somme du travail d'extraction du métal et de l'énergie cinétique du photoélectron émis :

$$\rm E_{photon} = h \times \nu_{photon} = W_{extraction} + E_c$$

$$\rm = W_{extraction} + \dfrac{1}{2} \times m_{électron} \times v^2_{max}$$

Cellule photoélectrique, diode électroluminescente, cellule photovoltaïque

Rendement d'une cellule photovoltaïque

Le rendement d'une cellule photovoltaïque correspond au rapport entre la puissance électrique produite et la puissance lumineuse reçue. Il peut également s'exprimer en termes d'énergie.

$\rm η = P_{électrique} / P_{lumineuse}$ $\rm = E_{électrique} / E_{lumineuse}$

Cette formule permet de quantifier l'efficacité de conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique par la cellule photovoltaïque.