2020年1月30日 1.0版本： — 王一 2020/01/30 20:26

2020年1月31日 1.1版本： — 王一 2020/01/31 20:58

2020年2月1日 1.2版本： — 王一 2020/02/01 22:16

2020年2月16日 1.3版本： — 王一 2020/02/16 14:50

　　太阳每秒到达地球陆地表面的辐射能相当于全世界一年内消耗的各种能源所产生总能量的3.5万倍。而太阳能电池能够直接将太阳的辐射能转化为电能，是有效利用太阳的慷慨馈赠服务于人类社会一个有效途径。太阳能电池除用于卫星、空间站外，还在灯塔、航标、微波中继站、铁路信号、汽车、飞机、智能手机、民用住房、发电站等领域有着广泛的应用。自1945年美国Bell实验室研制出第一块具有实用性的太阳能电池，随着固体物理、半导体物理、材料学的发展， 提高太阳能电池的光电转化效率成为科学研究和技术应用的热点。太阳能电池的核心概念是PN结与光生伏特效应。在此基础上需要理解太阳能电池的工作原理、基本特性表征参数、相关测试方法、最佳太阳能电池材料的基本特征。

　　太阳能利用课程思政：我国早在西周就有“阳燧取火”技术。晋代张华《博物志》：“削冰成圆，举以向日，以艾承其影，则得火”。北宋沈括《梦溪笔谈》：“阳燧面洼，向日照之，光皆向内，离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻菽，着物即发火，此则腰鼓最细处也”。清代徐珂《清稗类钞》记载，四川贡生萧开泰于甲午中日战争时期向清政府建议建造一具厚一尺、方八尺的巨大“鉴镜”，利用“太阳真火”，“引日光以发火，则虽敌舰在三十里外，不难立成灰烬”，但没有被清政府采纳。后萧开泰“于成都市上设肆卖烧鸭”，自制“鉴镜”引火熏炙，这种太阳能烤鸭“其味甚佳，与火炉所烤者无异”。由于他使用不花钱的能源加工鸭子，因而“每值天晴，利市三倍”。我国的“神舟”七号飞船的电力系统由一万多片密密麻麻的单晶硅高效单体太阳能电池构成。与“神舟”七号一起升入太空的还有一颗伴飞卫星，该卫星的星体结构为六面体，其中五个面粘贴砷化镓太阳能电池，该种电池平均光电转换效率达27％，是我国首次将此类电池批量应用于卫星工程。小小太阳能电池为我国航天事业做出了重要贡献。

— 王一 2020/02/16 14:43

1. 了解太阳能电池的基本结构和工作原理：PN结与光生伏特效应。
2. 掌握太阳能电池特性试验仪、碘钨灯光源、光具座及滑动支架的使用方法。
3. 针对单晶、多晶、非晶硅材质的太阳能电池，测量：
   1. 暗伏安特性并作图。
   2. 随光强变化的开路电压并作图。
   3. 随光强变化的短路电流并作图。
   4. 特定光强下以电阻箱作为太阳能电池的负载，通过改变电阻箱的阻值，记录太阳能电池的输出电压U和电流I，并计算输出功率P=UI值，画出I-U、P-U图，从图中找到最大输出功率、开路电压、短路电流，计算填充因子。

— 王一 2020/01/30 20:21

1. 在进行暗伏安特性测量、输出电压电流测量过程中，根据已知的太阳能电池内阻变化范围、电阻箱阻值变化范围、安陪表内阻、伏特表内阻，合理设计测量电路考虑安陪表的内接与外接，消除仪表对测量结果的显著影响。
2. 用最小二乘法拟合短路电流随光强改变的线性规律，并计算线性相关系数。

— 王一 2020/01/30 20:22

1. 根据理想PN结的正向电流I与加在其上的正向偏压U在常温下的近似关系，借助Origin软件将太阳能电池暗伏安特性数据进行e指数拟合，加深在无光条件下太阳能电池即是标准PN结的认识。
2. 借助Origin软件将开路电压随光强变化数据以自然对数ln形式进行拟合，加深对于开路电压随光强变化规律的认识。
3. 已知，在特定光强下太阳能电池达到最大输出功率时的最佳负载电阻应该与其内阻相等。并且，太阳能电池的内阻随着入射光光强的改变而改变，是由特定光强下开路电压和短路电流的商得到。根据已经测量的太阳能电池的输出电压U和电流I的规律，计算太阳能电池在获得最大输出功率时的负载电阻阻值，并与该光强下由开路电压和短路电流比值计算的内阻相比较，检验测量的准确性，并加深对这一规律的认识。
4. 测量并计算不同太阳能电池在不同光强下的：最大输出功率、开路电压短路电流的乘积。然后画出这两个量随光强变化的规律图。这两个量随光强均呈线性单调递增规律变化，可用最小二乘法拟合，并计算线性相关系数。借助Origin软件，依据这两个量随光强变化的线性规律可求得填充因子随光强变化的曲线。

— 王一 2020/01/30 20:23

　　采用砷化镓单晶和硅单晶太阳能电池进行对比实验，检验相同光强下二者的填充因子大小。砷化镓单晶太阳能电池具有比硅单晶太阳能电池更高的填充因子，因而具有更高的光伏转化效率和性能。

　　解释：除了电池制造工艺、器件设计结构、晶体缺陷等原因以外，电池材料本身能带结构的差异是不同太阳能电池的性能差异的根本原因。根据Shockley-Queisser模型，理想太阳能电池材料应为禁带宽度是1.34eV的直接带隙半导体。结合硅单晶和砷化镓单晶材料的能带图：硅单晶的能隙值为1.12eV，而砷化镓单晶的能隙值为1.42eV，离最佳能隙值更近，这使得砷化镓单晶太阳能电池有更高的性能。另一方面，砷化镓为直接带隙半导体。电子吸收光子能量本征跃迁时，电子波矢不变，不需要晶格振动提供能量，跃迁概率大，跃迁容易，光吸收系数高，光伏转化效率高。而硅为间接带隙半导体。电子吸收光子能量本征跃迁时，电子波矢改变，需要晶格振动提供能量，跃迁概率小，跃迁不容易，光吸收系数低，光伏转化效率低。

— 王一 2020/02/01 22:18

1. 培养学生电学实验的基本技能，电路连接的能力，一定程度的电路设计能力。
2. 通过实验数据点的作图及数据计算分析培养学生实验数据的科学表达能力。
3. 通过运用不同的数学工具对实验数据进行拟合以及近一步的计算分析，培养学生从数据中找出内在规律并发现新知识的能力。
4. 高阶内容中从能带结构角度解释不同太阳能电池性能差异的根本原因，可使学生更好的掌握与太阳能电池相关的科学知识与实践，能够在一定程度上培养其理论联系实际分析解决问题的能力。

— 王一 2020/01/31 20:56

　　PN结基本结构，光生伏特效应，太阳能电池的工作原理，PN结正向伏安特性，开路电压，短路电流，填充因子，最小二乘法，欧姆定律，非线性元件，电表的内接法和外接法，能带结构，半导体，能隙，直接带隙，间接带隙。

— 王一 2020/01/31 20:57

电磁学、半导体物理、固体物理、材料学。

— 王一 2020/01/30 21:26

线性与非线性原件伏安特性测量、霍尔效应、PN结正向电压温度特性的研究。

— 王一 2020/01/30 21:38

欢迎大家留言讨论！ — 乐永康 2019/12/05 13:01