Творческое задание, страница 190 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. Опыт Столетова.

2. Внутренний фотоэффект, применение внутреннего фотоэффекта.

3. Устройство, принцип действия и применение полупроводникового фоторезистора.

4. КПД солнечной батареи, перспективы ее использования.

4. КПД солнечной батареи, перспективы ее использования.

Солнечная батарея, или фотоэлектрический модуль, — это устройство, преобразующее энергию солнечного света непосредственно в электрическую энергию. Ключевым показателем эффективности этого преобразования является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД солнечной батареи

КПД солнечной батареи — это отношение произведенной электрической мощности к мощности поглощенного солнечного излучения.

Формула для расчета КПД:

$\eta = \frac{P_{электр}}{P_{солн}} \times 100\%$

где:

• $\eta$ — КПД (в процентах),
• $P_{электр}$ — электрическая мощность, генерируемая солнечной батареей (полезная мощность), Вт,
• $P_{солн}$ — мощность солнечного излучения, падающего на поверхность батареи (затраченная мощность), Вт. Мощность падающего излучения рассчитывается как $P_{солн} = E \cdot S$, где $\text{E}$ — интенсивность солнечного излучения (стандартное значение для тестов — 1000 Вт/м²), а $\text{S}$ — площадь батареи.

Эффективность солнечных панелей ограничена несколькими фундаментальными и технологическими факторами:

1. Предел Шок­ли—Ква­йссе­ра: Существует теоретический максимум КПД для однопереходного (однослойного) полупроводникового фотоэлемента, который составляет около 33.7% для кремния. Это связано с тем, что:

• Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника ($E_{ф} < E_{g}$), не поглощаются и не создают электрический ток.
• Избыточная энергия фотонов ($E_{ф} > E_{g}$) не используется для генерации дополнительного напряжения, а превращается в тепло, нагревая элемент и снижая его эффективность.

2. Рекомбинация носителей заряда: Не все сгенерированные светом пары электрон-дырка достигают контактов и вносят вклад в ток. Часть из них рекомбинирует (аннигилирует), выделяя энергию в виде тепла или света.

3. Внешние факторы: На реальный КПД влияют температура (эффективность падает с ростом температуры), отражение света от поверхности, затенение части панели и сопротивление контактов.

Современные коммерчески доступные кремниевые солнечные панели имеют КПД в диапазоне 18–23%. В лабораторных условиях с использованием многослойных (многопереходных) структур и концентрирующих линз достигаются значения КПД свыше 47%.

Перспективы ее использования

Перспективы использования солнечных батарей огромны и связаны как с технологическим прогрессом, так и с глобальным курсом на декарбонизацию энергетики.

1. Повышение эффективности и снижение стоимости: Исследования направлены на создание новых материалов и структур:

• Тандемные фотоэлементы: Комбинация слоев из разных материалов (например, перовскит на кремнии) позволяет более эффективно использовать весь спектр солнечного света и преодолеть предел Шок­ли—Ква­йссе­ра. Прогнозируется, что КПД таких ячеек в массовом производстве превысит 30%.
• Перовскитные солнечные элементы: Демонстрируют быстрый рост эффективности и потенциально низкую стоимость производства, хотя пока сталкиваются с проблемой долговечности.
• Гибкие и прозрачные панели: Развитие тонкопленочных технологий позволяет интегрировать солнечные элементы в окна зданий (BIPV - Building-integrated photovoltaics), одежду, электронику и кузова автомобилей.

2. Расширение сфер применения:

• Крупномасштабные солнечные электростанции: Стоимость солнечной энергии уже сейчас является одной из самых низких, что стимулирует строительство гигантских СЭС в пустынных регионах и на воде.
• Децентрализованная энергетика: Установка панелей на крышах частных домов и коммерческих зданий позволяет потребителям становиться производителями энергии (просьюмерами), повышая надежность энергосистемы и снижая потери в сетях.
• Электротранспорт: Интеграция солнечных панелей в автомобили, суда и самолеты для увеличения запаса хода или питания бортовых систем.

3. Решение проблемы прерывистости: Главный недостаток солнечной энергии — ее зависимость от времени суток и погоды. Эта проблема решается путем развития систем накопления энергии (аккумуляторные батареи, водородная энергетика), а также созданием глобальных "умных сетей" (Smart Grid), способных эффективно перераспределять энергию между регионами.

Несмотря на вызовы, связанные с утилизацией панелей и необходимостью больших площадей для СЭС, солнечная энергетика является ключевым элементом перехода к устойчивому энергетическому будущему, обеспечивая энергетическую безопасность и способствуя борьбе с изменением климата.

Ответ: КПД солнечной батареи является ключевым параметром, определяющим ее эффективность, и ограничен как фундаментальными физическими законами, так и технологическими факторами. Современные исследования направлены на преодоление этих ограничений с помощью новых материалов и многослойных структур. Перспективы использования солнечных батарей связаны с持续тельным снижением их стоимости, ростом эффективности и интеграцией в различные сферы жизни, что делает их одним из столпов мировой энергетики будущего.