《硅光电池特性》实验教学探索和实践

塔金星

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

《硅光电池特性》实验教学探索和实践

塔金星

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

为了更好地培养全校本科生的创新思维和动手实践能力，探索了适合九零后学生的教学方法。针对实验中存在的一些问题，引导学生积极思考，找到一些快速完成实验并且大大降低仪器损耗率的实验技巧，实现学生、教师、学校三方共赢的目标。

硅光电池；特性；探索；实践

大学物理实验开放型教学是东北林业大学理学院特色教学模式之一，这也是教育部在高等院校提倡和推广的新型实践教学模式［1］。该教学模式在教学内容［2］和学习时间方面给全校各专业学生们提供了自由选择机会，他们可以结合自身学习实际从兴趣出发，真正锻炼自己的创新思维和动手实践能力。该教学模式对教师们也提出了新的挑战，因为学生们可自由选择学习内容，他们是否选你的课程，取决于教师在教学内容和方法方面是否做出较好地设计和准备。在《硅光电池特性》实验教学中，笔者针对九零后学生对数码产品和网络热点比较关注的特点，从他们的兴趣点出发，例如:手机电池（锂离子电池）的充电过程、微博热点里提到的美国女大学生发明的几秒钟可以充满手机电池的“超级电容器”以及新闻报道中号称30秒就可以充满三星galaxy 4手机电池的“超级充电器”，让电动汽车续航3 000 km只加清水的“超级电池”等，引出本实验主题。然后以阐明基本概念为基础，延伸到实验原理。在实验操作过程中引导学生们积极思考，找到实验操作技巧，以便快速完成实验并分析实验结果。

1 PN结简介

在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，即为PN结。

如图1所示，分别是零偏、负偏、正偏情况下空间电荷分布情况［3］。

图1 PN结结构简介

PN结具有单向导电性。正偏时PN结处于导通状态；负偏时PN结处于截止状态。

2 硅光电池的工作原理

硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可以把入射到其表面的光能转化为电能，主要利用了物质的光电效应［3］。外加反偏电压与结内电场方向一致，当PN结及其附近被光照射时，就会产生电子-空穴对。在势垒区电场的作用下，结区内的电子-空穴对中的空穴被拉向P区，电子被拉向N区，从而形成光电流。

无光照时伏安特性与有光照时伏安特性分别如公式（1）与（2）所示:

当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时，流过PN结的电流I=Ip-Is。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态［3］。

3 测试数据与分析

3.1 零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性

测试零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性，在实验操作过程中有两种操作方法，请同学们思考，哪种方法会更好？选择更好的一种操作方法，给出理由。一种是固定光电流值，扭动正负偏置开关同时记录两种偏置电压值；另一种是逐步增加光电流值（顺时针旋转旋钮），只记录正偏的电压值，然后再逐步减小光电流值（逆时针旋转旋钮），再记录负偏的电压值。测试数据见表1，曲线描绘如图2所示。

表1 光电流（mA）和对应的两种偏置电压值（mV）

3.2 伏安特性

选定驱动电流为1.5 mA，负载选择如表2所示。在实验操作过程中，请同学们思考，是否可以较少地旋转电阻旋钮（如何合理使用1 K和10 K两档），而不是按表中负载中所列顺序依次旋转，找到同样把表格数据全部记录下来的方法，这样可以大大降低仪器的损耗率。测试数据见表2，曲线描绘如图3所示。

表2 负载（k Ω）与对应电压值（mV）

3.3 图像分析

零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性如图2所示，在所选参数范围内，在相同的光电流情况下，两种偏置电压都随电流增加而线性增加，但负偏电压图线始终位于零偏电压图线之上。请同学们思考为什么会出现这种情况？结合理论知识做出解释。硅光电池的伏安特性如图3所示，在负载较小情况下，电压随负载增加而线性增加，当负载大于65 kΩ不再呈现线性关系。学生们往往忽略这个关键分析。

图2 零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性

图3 伏安特性

4 结 论

从90后学生们的兴趣点出发，激发出他们的学习热情，开拓了他们的眼界，丰富了实验教学的内容。在实验过程中，提出问题培养他们积极思考的习惯，增强他们的动手能力。这样有利于他们把勤于思考、发现问题、分析问题、解决问题的良好学习习惯迁移到其他学科的学习中。

［1］ 徐燕，刘明熠，张开骁.大学物理开放实验建设的研究与实践［J］.大学物理实验，2014，27（2）: 109-111.

［2］ 谷开慧，孙晓冰，国秀珍，等.综合应用型人才培养的开放式实验教学研究［J］.大学物理实验，2014，27（2）:119-121.

［3］ 兰铖，崔金刚.大学物理实验［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，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

文章编号：1007-2934（2015）01-0041-03