太阳能电池教案-solarbe文库

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太阳能电池教学设计【课标要求】（ 1）通过实验原理的学习，初步了解太阳能电池的工作原理。（ 2）通过太阳电池伏安特性实验研究过程，了解太阳能电池的工作规律，体会实验在发现规律中的作用。【教材分析】选自近代物理实验讲义华东师范大学物理实验教学中心近代物理实验室编 2012 年 6 月实验 6-2 太阳电池伏安特性的测量。太阳能电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池资源限制少，且对环境造成的不良影响小，因此在若干年后，必然成为我们日常生活的重要能源之一，对太阳能电池的研究具有划时代的意义。【学情分析】学生在这该实验前对原子物理的知识、电学知识有了一定的了解，在这基础上在对太阳能电池进行研究，易于了解。【任务分析】通过对实验原理的学习，以分组的形式经行实验的操作，记录数据，最终处理数据，并对数据经行分析，得出实验结论，提交实验报告。【教学目标】一、知识与技能1、让学生了解太阳能电池的工作原理及其应用。2、让学生学会太阳能电池的伏安特性曲线测量。二、过程和方法培养学生动手能力和解决问题的能力三、情感、态度与价值观运用所学知识，对太阳能的伏安特性进行测量，提高学生对物理的学习兴趣。【重点难点】实验原理的理解及实验操作的理解。【设计思想】为了全面完成各项教学目标，本节教学设计以老师讲解实验原理和内容为主线，充分展现隐含在本节内容中的科学探究方法和科学思维方式。【教学方法】主要采用讲授法，让学生对实验原理和内容有一个感性的了解。【实验装置】光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表 1 只（用户自备）、电阻箱 1 只（用户自备）、白炽灯光源 1 只（射灯结构，功率 W40 ）、光功率计（带 V3 直流稳压电源）、导线若干、遮光罩 1 个、单刀双掷开关 1 个。【教学过程】一、实验原理1．太阳电池的结构图一太阳电池结构示意图2．太阳能电池的工作原理光伏效应图二、太阳电池发电原理示意图在 p 区与 n 区交界面的两侧即结区，存在一个内建电场，电场方向由 n区指向 p 区。当光照射在距太阳电池表面很近的 pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度 Eg，则在 p区、 n 区和结区光子被吸收会产生电子 – 空穴对．少数载流子（空穴带正电）在内建电场的作用下被拉向 p 区．同样，少数载流子（电子）也会被内建电场迅速被拉向 n 区．如果外电路处于开路状态，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应．3．太阳电池的等效电路图三、太阳电池的等效电路图太阳电池可用 pn结二极管 D、恒流源 Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻 Rs和相当于 pn结泄漏电流的并联电阻 Rsh组成的电路来表示，如图 3 所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为（ 7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻 Rs，增大并联电阻Rsh．4．太阳电池的表征参数当光照射太阳电池时，将产生一个由 n 区到 p 区的光生电流 Iph．实际获得的电流 I 为（ 1）如果忽略太阳电池的串联电阻 Rs， VD即为太阳电池的端电压 V，则（ 1）式可写为（ 2）当太阳电池的输出端短路时， V 0（ VD ≈ 0），由（ 2）式可得到短路电流 I SCI ph. 当太阳电池的输出端开路时， I 0，由（ 2）和（ 3）式可得到开路电压（ 3）当太阳电池接上负载 R 时，所得的负载伏 – 安特性曲线如图 2 所示．负载 R 可以从零到无穷大．当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率 Pm 为（ 4）式中 Im 和 Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将 Voc与 Isc的乘积与最大功率 Pm 之比定义为填充因子 FF，则（ 5）FF 为太阳电池的重要表征参数， FF 愈大则输出的功率愈高． FF 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．太阳电池的转换效率 η 定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能 Pin 之比，即（ 6）图四、太阳电池的伏 – 安特性曲线二、实验内容1、在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的 I-U 直流偏压从 0-3.0V. （ 1）画出测量线路图（ 2）用实验测得的正向偏压时 U-I 关系数据，画出 U-I 曲线并求得常数 β 和I O的值。2．在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为 cm20。（ 1）画出测量实验线路图。（ 2）测量太阳能电池在不同负载电阻下， I 对 U变化关系，画出 UI 曲线图。（ 3）用外推法求短路电流 SCI 和开路电压 OCU。（ 4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。（ 5）计算填充因子。3．测量太阳能电池的光照特性在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源 cm20 水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度 0J ；改变太阳能电池到光源的距离 x ,用光功率计测量 x 处的光照强度 J，求光强 J 与位置 x 的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度 0J/J 不同值时，相应的 SCI 和 OCU 的值。（ 1）描绘 SCI 和相对光强度 0J/J 之间的关系曲线，求 SCI 和与相对光强 0J/J 之间近似关系函数。（ 2）描绘出 OCU 和相对光强度 0J/J 之间的关系曲线，求 OCU 与相对光强度 0J/J之间近似函数关系。【实验注意事项】1、辐射光源的温度较高，因避免与灯罩接触。2、辐射光源的供电电压为 220V，因小心触电。【课堂总结、点评】教师活动让学生概括总结本节实验的内容。学生活动认真总结概括本次实验内容，并把自己这节课的体会写下来。设计说明总结课堂内容，培养学生概括总结能力。让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架【板书设计】一、实验原理1．太阳电池的结构2．太阳能电池的工作原理光伏效应3．太阳电池的等效电路4．太阳电池的表征参数二、实验内容【教学后记】本节课从实验原理和内容讲解入手，让学生对实验的原理和内容有一个感性的认识，为下节课的实验操作做铺垫。最终让学生对所学的内容进行概况总结，巩固了他们的所学知识，提高了他们的概况能力。