Interprétation des courbes courant-tension de différents matériaux

Cet article traite des idées impliquées dans la mesure et l'interprétation des courbes courant-tension des cellules solaires, des batteries et des matériaux inconnus.

Cet article traite des idées impliquées dans la mesure et l'interprétation des courbes courant-tension des cellules solaires, des batteries et des matériaux inconnus.

Cet article technique traite de l'utilisation des courbes I-V de composants linéaires idéaux pour comprendre et interpréter différents matériaux et comment ils sont utilisés comme appareils électroniques. En particulier, l'article couvre les cellules solaires, les batteries et les nouveaux matériaux. Bien que des références externes soient fournies sur le fonctionnement de ces appareils, cet article se concentrera uniquement sur les courbes I-V de ces appareils.

Lecture suggérée

• Comprendre les courbes courant-tension
• Comprendre les courbes courant-tension des dispositifs non linéaires

Courbes I-V des cellules solaires

Les cellules solaires sont des dispositifs photoélectriques qui convertissent l'énergie lumineuse en énergie électrique. En d'autres termes, ils génèrent de l'énergie lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Lorsque la lumière tombe sur un matériau semi-conducteur photovoltaïque (cellule solaire), l'énergie des photons est transférée au matériau, qui produit des charges en mouvement libre.

Pour un circuit complet avec une résistance de charge, un courant est généré dans le circuit lorsque la cellule solaire est exposée à la lumière. Comme la cellule solaire génère du courant électrique, sa courbe I-V est obtenue par commutation de charge.

La commutation de charge implique l'utilisation de différentes charges de résistance connectées à une source d'alimentation et mesure la tension aux bornes de l'appareil (à l'aide d'un voltmètre), ainsi que le courant qui le traverse (à l'aide d'un ampèremètre). Afin de voir dans quelle mesure une cellule solaire peut fournir du courant à un circuit, nous mesurons la caractéristique I-V de l'appareil en utilisant la méthode de commutation de charge. Une courbe typique est illustrée à la figure 1.

Figure 1. Schéma d'un circuit de mesure I-V pour une cellule solaire pour un éclairage fixe (en haut) et une courbe I-V typique d'une cellule solaire (en bas). $$I_{SC}$$ est le courant de court-circuit et $$V_{OC}$$ est la tension en circuit ouvert. Pour les petites valeurs de résistance, les cellules solaires ont tendance à se comporter comme des sources de courant idéales.

Pour une charge de résistance de 0 ohm (court-circuit), le courant maximal qu'une cellule solaire peut produire pour un éclairage incident donné est appelé courant de court-circuit, $$I_{SC}$$. À l'autre extrême, pour une charge de résistance d'ohms infinis (circuit ouvert), il n'y aura pas de courant dans le circuit, alors que la tension générée par la cellule solaire pour un éclairage donné est appelée tension de circuit ouvert, $$V_{OC }$$.

D'après la réponse I-V de la cellule solaire illustrée à la figure 1, nous voyons que les cellules solaires typiques ont tendance à se comporter davantage comme une source de courant pour des valeurs plus petites de résistances de charge. En revanche, une batterie a tendance à se comporter comme une source de tension, comme nous le verrons dans la section suivante.

Courbes I-V des batteries

Une batterie, qui est un ensemble de cellules voltaïques, est un appareil qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique par le biais de réactions électrochimiques. Une batterie est évaluée pour une tension et une capacité particulières (A-hr), en fonction de sa construction chimique et de sa composition. Des exemples de types de batteries sont Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ou Lithium-Ion (Li-Ion).

Parce que la batterie est une source d'alimentation, la réponse I-V d'une batterie est obtenue en utilisant la commutation de charge. Un schéma de la courbe I-V d'une batterie est illustré à la figure 2.

Figure 2. Mesure de commutation de charge d'une batterie idéale (en haut) et de la courbe I-V d'une batterie idéale ainsi que d'une batterie réelle typique (en bas). La vraie batterie est généralement modélisée comme une batterie idéale en série avec une résistance interne, en raison de la nature linéaire de la courbe I-V.

Une batterie idéale fonctionne comme une source de tension idéale. Une vraie batterie qui est encore entièrement fonctionnelle se comporte comme une source de tension idéale, mais elle a une pente comme le montre la ligne continue de la figure 2.

Une pente sur une courbe I-V est une résistance (comme décrit dans l'article sur les courbes I-V des composants idéaux). Par conséquent, une vraie batterie est souvent représentée comme une batterie idéale en série avec une résistance interne, comme décrit ici. La caractéristique I-V d'une cellule solaire et d'une batterie ne passe pas par l'origine, indiquant qu'elles stockent une certaine forme d'énergie.

Courbes I-V de nouveaux matériaux

Nous avons vu les courbes courant-tension des composants idéaux, qui sont des dispositifs linéaires et passifs tels que des résistances, des condensateurs et des inductances. Nous avons également examiné les dispositifs actifs qui fournissent de l'énergie, tels que les sources de tension et les sources de courant idéales.

À l'aide des tracés idéaux, nous avons examiné les courbes I-V de dispositifs passifs non linéaires tels que les diodes et les transistors, ainsi que les dispositifs actifs tels que les cellules solaires et les batteries. À un moment donné, les dispositifs tels que les diodes et les cellules solaires étaient inconnus, et la mesure de la caractéristique du courant par rapport à la tension était un moyen de modéliser l'appareil à l'aide de composants linéaires. Avoir une intuition de base derrière les courbes I-V peut aider les ingénieurs à découvrir de nouvelles utilisations des matériaux.

Dans cette section, nous examinerons la courbe I-V d'une électrode de stimulation, utilisée pour envoyer des impulsions électriques chez les mammifères. Cette section de l'article donne juste un aperçu de la façon dont nous pouvons utiliser les courbes I-V des composants linéaires pour visualiser une réponse I-V inconnue et avoir une intuition quant à son comportement.

Électrode de stimulation neurale

Une électrode est un matériau conducteur qui entre en contact avec une partie non métallique du circuit. Par exemple, les batteries sont construites avec des électrodes placées dans un électrolyte. Afin d'étudier le matériau utilisé dans une électrode, les électrochimistes effectuent une mesure connue sous le nom de voltamétrie cyclique , qui est essentiellement une mesure de courbe I-V utilisant la méthode de balayage de tension.

Les tracés de voltamétrie cyclique (CV) sont des méthodes d'étude des tensions auxquelles les réactions électrochimiques sont les plus répandues. À cet égard, CV prend également en compte la vitesse à laquelle les balayages de tension sont effectués. Vous pouvez en savoir plus sur la voltampérométrie cyclique ici.

La configuration de mesure pour une courbe I-V d'une électrode est généralement un système à trois électrodes. L'électrode est placée dans une solution saline (NaCl) et il y a une contre-électrode en platine, ainsi qu'une électrode de référence. La figure ci-dessous est un exemple de la réponse I-V, ou tracé de voltamétrie cyclique d'une électrode à film d'oxyde d'iridium, utilisée pour les applications de stimulation biologique.

Figure 3. Courbe I-V d'un matériau d'électrode en oxyde d'iridium placé dans une solution saline (courbe bleue). La réponse de la courbe I-V d'un condensateur et d'une résistance est également superposée. Cela montre que le matériau présente des propriétés capacitives de stockage de charge (hystérésis)

Le tracé de la figure 3 montre la courbe CV d'une électrode d'oxyde d'iridium. Contrairement à une résistance, observez que la réponse de l'électrode de l'oxyde d'iridium en solution saline incorpore les propriétés d'un condensateur, c'est-à-dire qu'il stocke la charge. Cette propriété de stockage de charge, ainsi que de nombreuses autres, est la raison pour laquelle ce matériau est utilisé pour la stimulation biologique, c'est-à-dire l'injection de charge dans le tissu biologique.

Résumé de l'interprétation des courbes I-V de différents matériaux

Appareils	Nécessite de l'alimentation ?	Méthode I-V	Couramment utilisé comme ?	Passe par l'origine ?
Cellule solaire	Non	Commutation de charge	Source actuelle pour les petites charges	Oui
Piles	Non	Commutation de charge	Source de tension pour les grosses charges	Oui
Électrode de stimulation	Oui	Balayage de tension	Se comporte comme un condensateur, utilisé pour injecter une charge dans les tissus	Non