Mince, il n’y a plus de courant… T’inquiète, y a les photons !

Dans la vie de tous les jours, nous utilisons de nombreux objets qui utilisent un phénomène appelé l’effet photoélectrique pour fonctionner. Les appareils photos, les caméras, les panneaux solaires, ils ont tous pour point commun de contenir des cellules photoélectriques qui sont en relation avec l’intensité de la lumière. Mais que se passe-t-il exactement lors d’un effet photoélectrique ?

C’est quoi un effet photoélectrique ?

Un effet photoélectrique est finalement assez simple à comprendre. Il s’agit d’un phénomène physique qui correspond à l’éjection des électrons de la surface d’un métal lorsque celui-ci est exposé à une lumière d’une certaine intensité. Pour le dire encore plus simplement : on éclaire une plaque de métal et celle-ci émet des électrons à l’origine d’un signal électrique.

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Le premier à avoir décrit ce phénomène est Heinrich Hertz en 1887. Même s’il avait identifié la cause du phénomène (c’est-à-dire que le rayonnement favorise des décharges électriques), il ne savait pas encore comment l’expliquer. D’où vient cette force capable de déclencher l’arrachement quasi instantané des électrons ? Il faudra attendre 1905, pour qu’Albert Einstein pose le postulat que la lumière est constituée d’unités d’énergie, qu’il appellera plus tard des photons. La lumière est ainsi décrite comme un flux de photons.

Pour déclencher un effet photoélectrique, il faut donc que l’énergie de chaque photon soit suffisante pour arracher des électrons du métal. On définit ainsi une cellule photoélectrique comme tout dispositif dont une des propriétés électriques est modifiée lors de l’absorption de photons. 

D’où vient l’énergie du photon ?

Le photon est considéré comme une particule de masse nulle et pourtant son pouvoir est loin d’être nul ! Il tire son énergie de l’onde lumineuse à laquelle il est associé. Et il est rapide, vu qu’il se déplace sans cesse à la vitesse de la lumière (logique me diriez-vous…). Plus précisément, l’énergie d’un photon est proportionnelle à la fréquence (v) de l’onde lumineuse associée (et donc inversement proportionnelle à sa longueur d’onde).

Ainsi un photon provenant de l’Ultraviolet (UV) transporte plus d’énergie qu’un photon provenant d’une radiation infrarouge (IR). Pour faire simple, il vaut mieux faire fonctionner votre calculette à cellule photoélectrique avec une lampe à UV, plutôt qu’une lampe à Infra Rouge. Cela déplacera plus d’électrons dans la cellule photoélectrique et vous êtes ainsi certain de pouvoir finir le calcul ci-dessous avant que la calculette ne s’éteigne…

L’énergie du photon se calcule comme suit. Elle est égale au produit de la constante de Planck (h) par la fréquence (v) de la radiation lumineuse associée à ce photon (avec c la célérité de la lumière) :

Comment sont arrachés les électrons du métal ?

Si l’on regarde un métal au niveau atomique, il est constitué d’atomes très proches les uns des autres avec en périphérie des électrons libres.

Pour arracher les électrons d’un métal, il faut une énergie dite minimale, c’est-à-dire au moins égale au travail à fournir pour extraire un électron libre. C’est ce qu’on appelle le travail d’extraction (W extraction) qui est d’ailleurs différent d’un métal à un autre.

Dans le phénomène d’effet photoélectrique, toute l’énergie contenue dans le photon lumineux incident (E photon) se transmet à un électron pour l’extraire du métal. L’énergie restante est emportée par l’électron arraché sous forme d’une énergie cinétique. L’énergie du photon doit donc être supérieure au travail d’extraction, si l’on veut voir un effet photoélectrique.

On peut ainsi écrire une équation de conservation de l’énergie (car comme vous le savez, dans l’univers rien ne se perd et tout se transforme). Cette équation est d’ailleurs connue sous le nom d’équation d’Einstein de l’effet photoélectrique.

Le phénomène d’émission photoélectrique est quasiment instantané. Après éclairage de la zone métallique, l’émission d’électrons à l’origine d’un courant électrique se produit dans un délai inférieur à 10-9 s.

 Et les cellules photovoltaïques, comment cela fonctionne ?

Les panneaux solaires que l’on peut voir sur des toitures par exemple sont constitués de cellules photovoltaïques (assemblage de matériaux semi-conducteurs). Elles utilisent le même principe d’effet photoélectrique : sous l’effet de la lumière, l’arrivée et l’absorption d’un photon engendre un signal électrique. Dans le cas d’une cellule photovoltaïque il s’agit d’une tension électrique. Les électrons arrachés (chargés négativement) vont créer une différence de potentiel à l’origine d’une tension entre les deux faces de la cellule. L’énergie lumineuse est ainsi convertie en énergie électrique. La puissance électrique obtenue est proportionnelle à la puissance lumineuse incidente et au rendement de la cellule.

Le rendement d’une cellule photovoltaïque est le rapport sans unité de la puissance exploitable ou utile sur la puissance reçue ou d’entrée :

Dans le milieu agricole, l’installation de panneaux solaires s’est développée avec la naissance du terme d’agrivoltaïsme. Concilier l’activité de production agricole avec une activité de producteur d’énergie est un concept de plus en plus répandu. Que ce soit sur les toits des bâtiments de l’exploitation agricole (élevage ou stockage des céréales), ou directement au champ avec des cultures en simultané, nombreux sont les agriculteurs qui relèvent aujourd’hui ce défi. C’est une façon de produire une énergie renouvelable sans artificialiser des terres arables.