塔金星

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

《硅光電池特性》實驗教學(xué)探索和實踐

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)新思維和動手實踐能力，探索了適合九零后學(xué)生的教學(xué)方法。針對實驗中存在的一些問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，找到一些快速完成實驗并且大大降低儀器損耗率的實驗技巧，實現(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；實踐

大學(xué)物理實驗開放型教學(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)時間方面給全校各專業(yè)學(xué)生們提供了自由選擇機會，他們可以結(jié)合自身學(xué)習(xí)實際從興趣出發(fā)，真正鍛煉自己的創(chuàng)新思維和動手實踐能力。該教學(xué)模式對教師們也提出了新的挑戰(zhàn)，因為學(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)計和準(zhǔn)備。在《硅光電池特性》實驗教學(xué)中，筆者針對九零后學(xué)生對數(shù)碼產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)熱點比較關(guān)注的特點，從他們的興趣點出發(fā)，例如:手機電池（鋰離子電池）的充電過程、微博熱點里提到的美國女大學(xué)生發(fā)明的幾秒鐘可以充滿手機電池的“超級電容器”以及新聞報道中號稱30秒就可以充滿三星galaxy 4手機電池的“超級充電器”，讓電動汽車?yán)m(xù)航3 000 km只加清水的“超級電池”等，引出本實驗主題。然后以闡明基本概念為基礎(chǔ)，延伸到實驗原理。在實驗操作過程中引導(dǎo)學(xué)生們積極思考，找到實驗操作技巧，以便快速完成實驗并分析實驗結(jié)果。

1 PN結(jié)簡介

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)簡介

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｕ珪rPN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)偏時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)電場方向一致，當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時，就會產(chǎn)生電子-空穴對。在勢壘區(qū)電場的作用下，結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對中的空穴被拉向P區(qū)，電子被拉向N區(qū)，從而形成光電流。

無光照時伏安特性與有光照時伏安特性分別如公式（1）與（2）所示:

當(dāng)光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于負(fù)偏時，流過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，光電池必須處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)［3］。

3 測試數(shù)據(jù)與分析

3.1 零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號關(guān)系特性

測試零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號關(guān)系特性，在實驗操作過程中有兩種操作方法，請同學(xué)們思考，哪種方法會更好？選擇更好的一種操作方法，給出理由。一種是固定光電流值，扭動正負(fù)偏置開關(guān)同時記錄兩種偏置電壓值；另一種是逐步增加光電流值（順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕），只記錄正偏的電壓值，然后再逐步減小光電流值（逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕），再記錄負(fù)偏的電壓值。測試數(shù)據(jù)見表1，曲線描繪如圖2所示。

表1 光電流（mA）和對應(yīng)的兩種偏置電壓值（mV）

3.2 伏安特性

選定驅(qū)動電流為1.5 mA，負(fù)載選擇如表2所示。在實驗操作過程中，請同學(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)全部記錄下來的方法，這樣可以大大降低儀器的損耗率。測試數(shù)據(jù)見表2，曲線描繪如圖3所示。

表2 負(fù)載（k Ω）與對應(yīng)電壓值（mV）

3.3 圖像分析

零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號關(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。請同學(xué)們思考為什么會出現(xiàn)這種情況？結(jié)合理論知識做出解釋。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)生們往往忽略這個關(guān)鍵分析。

圖2 零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號關(guān)系特性

圖3 伏安特性

4 結(jié) 論

從90后學(xué)生們的興趣點出發(fā)，激發(fā)出他們的學(xué)習(xí)熱情，開拓了他們的眼界，豐富了實驗教學(xué)的內(nèi)容。在實驗過程中，提出問題培養(yǎng)他們積極思考的習(xí)慣，增強他們的動手能力。這樣有利于他們把勤于思考、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的良好學(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，張開驍.大學(xué)物理開放實驗建設(shè)的研究與實踐［J］.大學(xué)物理實驗，2014，27（2）: 109-111.

［2］ 谷開慧，孫曉冰，國秀珍，等.綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的開放式實驗教學(xué)研究［J］.大學(xué)物理實驗，2014，27（2）:119-121.

［3］ 蘭鋮，崔金剛.大學(xué)物理實驗［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：1007-2934（2015）01-0041-03