Cellule solaire à fabriquer dans sa cuisine

De Wikidebrouillard.

Version actuelle en date du 24 février 2015 à 15:42

Présentation de l'expérience

Comment fabriquer une cellule solaire dans sa cuisine ?

Matériel

Matériel pour la réalisation de la plaque de cuivre oxydée

• une plaque de cuivre
• une plaque chauffante
• du papier de verre
• une éponge propre
• du produit vaisselle
• de l'eau du robinet

Matériel pour nettoyer une plaque de cuivre

• une plaque de cuivre
• du vinaigre
• du sel
• de l'eau tiède
• deux éponges propres
• des pinces à linge
• des récipients

Matériel pour monter la cellule solaire

• une plaque de cuivre oxydée (voir l'étape 1 de la manipulation)
• une plaque de cuivre nettoyée (voir l'étape 2 de la manipulation
• de l'eau tiède
• du bicarbonate alimentaire
• une demi bouteille en plastique transparent
• un multimètre électronique capable de mesurer jusqu'à 10 µA
• 4 pinces crocodiles
• 2 fils

L'expérience

La manipulation

Etape 1 : préparation de la plaque de cuivre oxydée

• Lavez la plaque de cuivre avec du savon
• Utilisez le papier de verre pour éliminer la corrosion
• Placez la plaque nettoyée et séchée sur la plaque électrique allumée au maximum
• Comme le cuivre commence à se réchauffer, vous verrez les modèles d'oxydation commencer à se former : oranges, violets, rouges.

Ces couleurs sont petit à petit remplacées par un revêtement noir d'oxyde cuivrique. Ce n'est pas l'oxyde que nous voulons. Celui-ci « pèlera » plus tard, dévoilant les sous-couches d'oxyde cuivreux : rouge, orange, rose et violets.

• Laissez cuire pendant une demi-heure pour que le revêtement noir obtenu soit suffisamment épais. Ceci est important, car une épaisse couche pèle bien, alors qu'une mince couche se détachera moins facilement de la plaque de cuivre.
• Après la demi-heure de cuisson, éteignez le brûleur et laissez le cuivre chaud refroidir lentement sur le brûleur. Si vous le refroidissez trop vite, l'oxyde noir restera collé sur le cuivre.

Comme le cuivre se refroidit, il se contracte. L'oxyde de cuivre noir se rétrécit aussi mais pas autant, donc ils se détachent petit à petit (attention aux projections).

• Lorsque le cuivre est revenu à température ambiante (cela prend environ 20 minutes), la plupart de l'oxyde noir aura disparu. Un lavage de la plaque avec les mains sous de l'eau courante supprimera la plupart des petits morceaux. Résistez à la tentation de supprimer tous les points noirs en frottant. Cela pourrait endommager la délicate couche rouge d'oxyde cuivreux.

Etape 2 : nettoyage de la deuxième plaque

Le bain au vinaigre sert à atténuer ou faire disparaître les grosses taches.

• Versez dans une bassine de l'eau très chaude et un demi-litre de vinaigre blanc. Immergez la plaque.
• Lavez-la.
• Retirez l'objet et frottez-le vivement avec une éponge saupoudrée de sel. Evitez au maximum les coulures, afin d'éviter d'avoir ensuite à frotter pour les éliminer.
• Remettez l'objet dans le vinaigre puis frottez à nouveau. Laissez tremper si nécessaire 10 bonnes minutes en surveillant de près l'évolution du détachage.
• Retirez du bain, rincez immédiatement à l'eau tiède puis lavez avec une éponge imbibée avec de l'eau savonneuse.
• Séchez.

Etape 3 : montage de la cellule solaire

• Fixez une pince crocodile à la plaque de cuivre enduite d'oxyde cuivreux et l'autre à la plaque de cuivre propre.
• Branchez le cordon de la plaque de cuivre propre à la borne positive du multimètre.
• Branchez le cordon de la plaque de l'oxyde cuivreux à la borne négative du multimètre.
• Préparez une solution d'eau tiède avec du bicarbonate (du sel convient aussi).

Versez la solution dans la demi-bouteille et plongez-y en partie les plaques dans la solution en laissant dépasser à l'air libre le haut des plaques et les pinces croco. Les deux plaques ne doivent pas se toucher.

Etape 4 : mesures

• Relevez la valeur indiquée par le multimètre.
• Faites varier l'exposition lumineuse du dispositif, en plaçant des obstacles à la lumière, plus ou moins opaques, devant les plaques, ou en déplaçant le montage dans des endroits exposés à des intensités lumineuses variées.
• Notez la valeur indiquée par le multimètre dans chaque condition ou endroit testé.

Que voit-on ?

En modifiant la position de votre montage obscurité/ombre/soleil, la valeur sur le multimètre change. Plus le soleil est fort, plus la valeur (tension en mV) augmente.

Explications

De manière simple

Lorsque la lumière du soleil frappe les électrons de l'oxyde cuivreux, une partie des électrons gagne assez d'énergie pour passer devant la largeur de bande interdite et devenir libre de conduire l'électricité.

Les électrons libres se déplacent alors dans le mélange eau/bicarbonate depuis la plaque d'oxyde cuivreux jusqu'à la plaque de cuivre propre.

Lorsque la cellule solaire est placée à l'ombre, les électrons se déplacent peu car la lumière reçue, plus faible, ne leur apporte pas suffisamment d'énergie.

Questions sans réponses

Allons plus loin dans l'explication

L'oxyde cuivreux est un matériau appelé semi-conducteur*.

• (WIKIPEDIA)

Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction. Si un potentiel électrique est appliqué à ses bornes, un faible courant électrique apparait, provoqué à la fois par le déplacement des électrons et par celui des « trous » qu'ils laissent dans la bande de valence.

Les électrons ne peuvent pas rester à l'intérieur de la bande interdite. Un électron ne peut pas gagner un peu d'énergie et s'éloigner du noyau de l'atome dans la bande interdite. Un électron doit gagner assez d'énergie pour s'éloigner du noyau, à l'extérieur de la bande interdite.

De même, un électron en dehors de la bande interdite ne peut pas perdre un peu d'énergie et tomber juste un peu plus près du noyau. Il doit perdre suffisamment d'énergie pour aller de la bande interdite dans la zone où les électrons sont autorisés.

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

• Four_solaire
• Pile_volta

Autres expériences

Site internet où l'on a trouvé cette expérience en anglais. http://scitoys.com/scitoys/scitoys/echem/echem2.html

Applications : liens avec le quotidien

Un panneau solaire est un dispositif destiné à récupérer le rayonnement solaire pour le convertir en énergie électrique ou en énergie thermique utilisable par l'homme.

Lieux propices à sa réalisation

Il vaut mieux réaliser cette expérience un jour où le soleil est présent sinon les résultats ne seront pas très significatifs.

Catégories

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