太阳能电池教案

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 SC=I 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 U~I 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。