《硅光電池特性》實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和實(shí)踐

塔金星

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

《硅光電池特性》實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和實(shí)踐

塔金星

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

為了更好地培養(yǎng)全校本科生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力，探索了適合九零后學(xué)生的教學(xué)方法。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，找到一些快速完成實(shí)驗(yàn)并且大大降低儀器損耗率的實(shí)驗(yàn)技巧，實(shí)現(xiàn)學(xué)生、教師、學(xué)校三方共贏的目標(biāo)。

硅光電池；特性；探索；實(shí)踐

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放型教學(xué)是東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院特色教學(xué)模式之一，這也是教育部在高等院校提倡和推廣的新型實(shí)踐教學(xué)模式［1］。該教學(xué)模式在教學(xué)內(nèi)容［2］和學(xué)習(xí)時(shí)間方面給全校各專業(yè)學(xué)生們提供了自由選擇機(jī)會(huì)，他們可以結(jié)合自身學(xué)習(xí)實(shí)際從興趣出發(fā)，真正鍛煉自己的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力。該教學(xué)模式對(duì)教師們也提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷W(xué)生們可自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，他們是否選你的課程，取決于教師在教學(xué)內(nèi)容和方法方面是否做出較好地設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備。在《硅光電池特性》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者針對(duì)九零后學(xué)生對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)比較關(guān)注的特點(diǎn)，從他們的興趣點(diǎn)出發(fā)，例如:手機(jī)電池（鋰離子電池）的充電過(guò)程、微博熱點(diǎn)里提到的美國(guó)女大學(xué)生發(fā)明的幾秒鐘可以充滿手機(jī)電池的“超級(jí)電容器”以及新聞報(bào)道中號(hào)稱30秒就可以充滿三星galaxy 4手機(jī)電池的“超級(jí)充電器”，讓電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航3 000 km只加清水的“超級(jí)電池”等，引出本實(shí)驗(yàn)主題。然后以闡明基本概念為基礎(chǔ)，延伸到實(shí)驗(yàn)原理。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生們積極思考，找到實(shí)驗(yàn)操作技巧，以便快速完成實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 PN結(jié)簡(jiǎn)介

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面兩側(cè)形成一層很薄的空間電荷區(qū)，即為PN結(jié)。

如圖1所示，分別是零偏、負(fù)偏、正偏情況下空間電荷分布情況［3］。

圖1 PN結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。正偏時(shí)PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)偏時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

2 硅光電池的工作原理

硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可以把入射到其表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，主要利用了物質(zhì)的光電效應(yīng)［3］。外加反偏電壓與結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下，結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對(duì)中的空穴被拉向P區(qū)，電子被拉向N區(qū)，從而形成光電流。

無(wú)光照時(shí)伏安特性與有光照時(shí)伏安特性分別如公式（1）與（2）所示:

當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0，流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于負(fù)偏時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip-Is。因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，光電池必須處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)［3］。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

3.1 零偏和負(fù)偏時(shí)光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系特性

測(cè)試零偏和負(fù)偏時(shí)光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系特性，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中有兩種操作方法，請(qǐng)同學(xué)們思考，哪種方法會(huì)更好？選擇更好的一種操作方法，給出理由。一種是固定光電流值，扭動(dòng)正負(fù)偏置開(kāi)關(guān)同時(shí)記錄兩種偏置電壓值；另一種是逐步增加光電流值（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕），只記錄正偏的電壓值，然后再逐步減小光電流值（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕），再記錄負(fù)偏的電壓值。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，曲線描繪如圖2所示。

表1 光電流（mA）和對(duì)應(yīng)的兩種偏置電壓值（mV）

3.2 伏安特性

選定驅(qū)動(dòng)電流為1.5 mA，負(fù)載選擇如表2所示。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，請(qǐng)同學(xué)們思考，是否可以較少地旋轉(zhuǎn)電阻旋鈕（如何合理使用1 K和10 K兩檔），而不是按表中負(fù)載中所列順序依次旋轉(zhuǎn)，找到同樣把表格數(shù)據(jù)全部記錄下來(lái)的方法，這樣可以大大降低儀器的損耗率。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，曲線描繪如圖3所示。

表2 負(fù)載（k Ω）與對(duì)應(yīng)電壓值（mV）

3.3 圖像分析

零偏和負(fù)偏時(shí)光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系特性如圖2所示，在所選參數(shù)范圍內(nèi)，在相同的光電流情況下，兩種偏置電壓都隨電流增加而線性增加，但負(fù)偏電壓圖線始終位于零偏電壓圖線之上。請(qǐng)同學(xué)們思考為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？結(jié)合理論知識(shí)做出解釋。硅光電池的伏安特性如圖3所示，在負(fù)載較小情況下，電壓隨負(fù)載增加而線性增加，當(dāng)負(fù)載大于65 kΩ不再呈現(xiàn)線性關(guān)系。學(xué)生們往往忽略這個(gè)關(guān)鍵分析。

圖2 零偏和負(fù)偏時(shí)光電流與輸入光信號(hào)關(guān)系特性

圖3 伏安特性

4 結(jié) 論

從90后學(xué)生們的興趣點(diǎn)出發(fā)，激發(fā)出他們的學(xué)習(xí)熱情，開(kāi)拓了他們的眼界，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，提出問(wèn)題培養(yǎng)他們積極思考的習(xí)慣，增強(qiáng)他們的動(dòng)手能力。這樣有利于他們把勤于思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣遷移到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中。

［1］ 徐燕，劉明熠，張開(kāi)驍.大學(xué)物理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)建設(shè)的研究與實(shí)踐［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，27（2）: 109-111.

［2］ 谷開(kāi)慧，孫曉冰，國(guó)秀珍，等.綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，27（2）:119-121.

［3］ 蘭鋮，崔金剛.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2014，132-137.

Exploration and Practice of Experimental Teaching for the Characteristics of Silicon Solar Cell

TA Jin-xing
（Northeast Forestry University，Heilongjiang Harbin 150040）

In order to better develop total undergraduate students'creative thinking and practical ability，the experimental teaching methods that serve students born after the nineties were explored.Aiming at some problems in experiments，active thinking is encouraged to find some tips for selecting reasonable operation approach，which will dramatically decrease the actual use available of the experimental apparatuses.Furthermore，the three sides including students，teachers，colleges and universities will obtain maximal benefit.

silicon solar cell；the characteristics；exploration；practice

O472+.8

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.013

1007-2934（2015）01-0038-03

2014-10-08

文章編號(hào)：1007-2934（2015）01-0041-03