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能源元件之特性分析實驗

能源元件之特性分析實驗. 課程教學大綱. 第一單元 : 太陽能電池 第二 單元 : 超導體之超導溫度 第三單元 : 電能迴路設計 第四單元 : 鋰電池分析 - 充放電與循環伏安. 實驗內容綱要. 一、實驗目的 二、原理機制 三、實驗步驟 ( 流程圖 ) 四、 實驗設備及器材 五、結果與討論 六、多媒體示範教學. 第一單元 : 太陽能電池. 一 . 實驗目的：. 利用 PN JUCTION 照光後，測量其 I-V 的變化，畫出 I-V 曲線圖，證明太陽能電池照光後其電流、電壓確實產生變化，達到發電的效果 。 . 二 . 實驗原理與機制：.

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能源元件之特性分析實驗

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  1. 能源元件之特性分析實驗

  2. 課程教學大綱 • 第一單元 : 太陽能電池 • 第二 單元 : 超導體之超導溫度 • 第三單元 : 電能迴路設計 • 第四單元 : 鋰電池分析-充放電與循環伏安

  3. 實驗內容綱要 一、實驗目的 二、原理機制 三、實驗步驟(流程圖) 四、實驗設備及器材 五、結果與討論 六、多媒體示範教學

  4. 第一單元 : 太陽能電池 一.實驗目的： 利用PN JUCTION照光後，測量其I-V的變化，畫出I-V曲線圖，證明太陽能電池照光後其電流、電壓確實產生變化，達到發電的效果。

  5. 二.實驗原理與機制： 在電子電路中使用的二極體(diode)種類很多，我們主要先介紹pn 接面二極體的原理、特性，以及他的基本應用，在最後再介紹一些特殊二極體和他們如何應用在太陽能電池上。pn 接面可以簡單的想成一p 型半導體和一n 型半導體接在 一起所形成，在兩端再各以一金屬電極(稱為歐姆接點)連結外界電路，如圖1。形成的方法有很多，例如可以在一p 型半導體基板上一磊晶方式成長一n 型半導體，或在一p型半導體基板上先置一n 型的雜質源，然後加熱，n 型雜質即擴散入基板表面，形成pn 接面。

  6. Example#1: pn 接面在形成時，空間中的載體分布先天上就已經不均勻，在p 型半導體中的電洞會向n 型半導體中擴散，在n 型半導體中的電子會向p 型半導體中擴散

  7. pn 接面在形成時，空間中的載體分布先天上就已經不均勻，在p 型半導體中的電洞會向n 型半導體中擴散，在n 型半導體中的電子會向p 型半導體中擴散

  8. 由於帶電載體的移動，原本每個位置都保持電中性的特性便被破壞，n 型半導體中會帶正電，p 型半導體中會帶負電。電洞進入n 型區，或電子進入p 型區都會產生復合，電子電洞同時消失，半導體中就只剩下帶電的摻雜離子，在p 型半導體中是帶負電的受子離子，在n 型半導體中是帶正電的施子離子，兩者的帶電量大小是相同的

  9. 這兩個帶電的離子區會集中在接面的兩側，如此可使系統的電位能降到最低。這時，帶電離子在接面附近產生一電場，所導致的漂移電子流（電洞流），方向都和擴散電子流（電洞流）相反

  10. 包括維持電中性的p 型區與n 型區，以及有電場分布的離子區

  11. 顯示出對應各區的電子與電洞濃度分布的示意圖。在p 型中性區中電洞濃度最大，電子濃度最小；在n型中性區中電子濃度最大，電洞濃度最小；在中間的離子區，電子與電洞的濃度都較中性區之多數載體濃度為低。由於離子區缺乏可移動的載體，一般將此區稱做空乏區

  12. 是接面附近的帶電電荷密度分布圖，這裡假設了:(1)在pn 接面附近的p 型及n 型雜質摻雜濃度是均勻的，(2)在空乏區中的載體濃度完全忽略

  13. 是對應的電場分布圖，圖中顯示空乏區電場的值都是負的，表示電場方向都是由n 型區中的施子離子指向p 型區中的受子離子，實際的電場分布可以利用高斯定律求出。由電場分布，我們可以很容易看出電位的分布形式

  14. p 型區的電位較高，n 型區的電位較低，其間的電位差我們稱為內建電位(build-inpotential) Vbi。對電洞而言，他的電位能在p 型中性區最低，故電洞大部分分布於此區，電洞要由n 型區進入p 型中性區，必須克服一個大小為qVbi 的位能障礙(potential barrier)；同樣地，電子大多分佈在電子電位能最低的n 型中性區中，要進入p 型區一樣要克服qVbi 的位能障礙

  15. 很清楚顯示了電子與電洞分別看到不同的電位能曲線，這裡主要的原因來自他們所帶電荷符號不同。2.pn接面二極體的電流-電壓特性很清楚顯示了電子與電洞分別看到不同的電位能曲線，這裡主要的原因來自他們所帶電荷符號不同。2.pn接面二極體的電流-電壓特性

  16. 4.太陽能電池 • 當光二極體面積很大時，照光後產生之光電流也很大，可以當作電源使用，稱為太陽能電池(solar cell)。太陽能電池的發電能力和他的面積成正比，但一般利用半導體晶片製作的大面積元件成本過高，只有在特殊場合，例如在人造衛星上，才使用得到。而日常所用的太陽能電池，則是以玻璃做基板，先鍍上一層透明的導電膜（通常是氧化銦類的材料），再成長非晶態的矽薄膜，並形成pn 接面，雖然非晶矽太陽電池的發電效率與使用期限較以晶體材料製作的差，但成本卻低的很多，適合一般發電使用。

  17. ，我們比較一個電阻和一個理想二極體通過的電流I 與端電壓V 的關係，這個關係通常稱為元件的電流-電壓特性(current-voltage characteristics)。(b)顯示當理想二極體的V 為負的時候，電流是0，基本上是不導通的，稱做逆向偏壓(reversed biased)；而當V 略正時，又完全導通，電流很大，稱為順向偏壓(forward biased)

  18. 實際的pn 接面二極體的電流-電壓特性略有不同，圖5(a)是一個典型的例子，圖中用兩個不同的電流尺度來顯示，順向偏壓夠大時才會有顯著的電流，而逆向偏壓時有一很小的逆向電流。逆向偏壓夠大時，逆向電流幾乎保持不變，稱為逆向飽和電流(reversed-biased saturation current)IS

  19. 三 實驗步驟 • 首先將太陽能電池面板與DCA、DC POWER SUPPLY接好，利用太陽能電池照光後，電壓電流會改變的特性，描繪出太陽能電池的I-V Curve，分成無照光、燈光、紅光、藍光四種，比較其在不同條件下所測量出的I-V Curve。

  20. 四實驗設備及器材 • DCA、DC POWER SUPPLY、太陽能電池面板、風扇、紅色與藍色玻璃紙

  21. 五 結果與討論 • PN Junction照光後，電子電洞如何移動以產生電流電壓? • 太陽能電池照光前以及照光後其I-V Curve曲線圖如何變化，以及其變化代表什麼意義？ • 為何施加順向偏壓與逆向偏壓，其表現出來的I-V Curve有所不同？

  22. 六、Video示範教學 建構中

  23. Thank you for your attention

  24. 第二單元 :超導體之超導溫度 一.實驗目的： 超導體材料是指一種在電流通過時，不會產生電阻的材料。既然電阻為零，傳輸的電能就不會損耗，因此超導體可以廣泛應用在電子、能源、醫療及交通等工業上。故本課程將針對超導體作簡單介紹，使同學們了解超導體的工作原理，並且透過本實驗實際操作，使同學們對於YBCO超導體的臨界溫度有更進一步的瞭解。

  25. 二.實驗原理與機制： 2-1. 起源： 一項科學的新發現，往往是在充分的條件下偶然發生的。超導的發現或許就是個例子。我們都知道物質有固－液－氣三種形態，若把常溫空氣降到很低的溫度(約零下200℃)，則可以得到液體狀的空氣。在19世紀末大多數的氣體已經可以被液化，只剩下氦氣仍不能被液化，氦氣還一度被稱為「永久氣體」。 但是在1908年，荷蘭科學家歐尼斯(Kammerlingh-Onnes)證明這是錯誤的，他在4.2Ｋ(-269℃)成功地液化氦氣。成為歷史上第一位將氦氣液化的人。由於歐尼斯的成果使低溫研究向前跨了一大步。

  26. 當時對於金屬的電阻會隨著溫度降低而減少已被確定，然而在趨近0Ｋ時電阻究竟會低到某個最低值呢？或是因電子在此時停止流動，而成為絕緣體？這是兩個完全不同的結果。當時對於金屬的電阻會隨著溫度降低而減少已被確定，然而在趨近0Ｋ時電阻究竟會低到某個最低值呢？或是因電子在此時停止流動，而成為絕緣體？這是兩個完全不同的結果。 歐尼斯對這方面感到興趣，而持續研究著。為了減少雜質的影響，歐尼斯選用在當時所能找到純度較高的金屬－汞(水銀)－來作實驗。他將汞置於液態氦中量測電阻，卻意外的發現電阻在4.2Ｋ時突然降到無法量測，這是物理中從未發生過的現象，歐尼斯將汞稱為超導體(superconductor)，時間為1911年。

  27. 2-2. 超導體的特性： 1. 零電阻 即完全沒有電阻，因此，電流不會有所損耗，而成為永久電流。一般的導體，電阻是因原子熱振動或晶格缺陷等阻礙電流流動所造成；但在超導狀態下，自旋相反的成對電子組成古柏偶對（Cooper pair），這種成對電子在傳導時不受晶格中離子的妨礙，因此形成零電阻現象。 為什麼同樣帶負電的電子能夠不互相排斥而形成古柏偶對？負負不是應該相斥嗎？為何反而會相吸？巴丁、古柏和薛瑞佛三人（J. Bardeen, L.N. Cooper, and R.J. Schrieffer）利用量子力學對此做了計算與解釋： 在低溫時，古柏偶對中的兩個電子會藉由帶正電的原子核的協助，由相互排斥變為非常弱的相互吸引，使得古柏偶對因此存在。當外在溫度升高、磁場增強到某臨界值時，會使古柏偶對遭到破壞，造成超導現象消失。

  28. 2. 反磁效應 超導體的內部磁通量為零，磁力線無法進入超導體，這個性質又稱為「麥士那效應（ Meissner Effect）」。這種現象產生的過程是：當超導體放入磁場中時，超導體和一般導體一樣會產生感應電流，而超導體的電阻為零，因此只要磁場存在，電流就能一直流動，此電流即為「屏蔽電流」。屏蔽電流在超導體周圍產生與外部磁場方向相反的磁場，因而阻擋外部磁場進入。磁浮現象即是由這個原理產生的，可應用在磁浮火車上。

  29. 3. 約瑟夫穿隧效應 (Josephson Effects) 若把兩個超導體中間夾一薄層的絕緣體，則絕緣層也會出現一微弱的超導電流，而能通電。而在兩超導體上施加某一定的電壓時，則能得到一甚強之共振電流。這就是約瑟夫效應，這是由兩分開的超導體中的超導電子相互合作產生的。這一個現象對磁場非常敏感，所以可以利用它來偵測磁場的變化。

  30. 2-3. 高溫超導體材料： 1986年發現的高溫超導體，不同於以往的金屬或合金，它實際上是一種陶瓷。我們對陶瓷的印象不外乎是硬、脆、不導電，但在適當溫度下這些陶瓷卻能轉變為超導體，實在是令人驚訝。這類超導陶瓷的結構均非常複雜，且超導性能也深受這些結構的影響。 超導電流在某一方向能夠流通，在另一個方向卻很難流通，這和其晶體結構有一定的關係。而科學家將這些超導陶瓷分為第一代和第二代。第一代超導陶瓷典型代表為鑭鋇銅氧超導體(LaBaCuO)，它是由IBM公司的研究員貝茲和幕勒發現的，也開啟此一鋇銅氧化合物超導體的時代。第一代超導的臨界溫度約在30K~50K左右，超導電流在圖中粉紅色平面流動。

  31. 第一代超導的臨界溫度約在30K~50K左右，超導電流在圖中粉紅色平面流動。第一代超導的臨界溫度約在30K~50K左右，超導電流在圖中粉紅色平面流動。 （位於八面體體心位置）

  32. 第二代超導陶瓷中最著名的莫過於釔鋇銅氧(簡稱YBCO)超導體，它也是由吳茂昆博士發現的第一個臨界溫度超過液態氮的沸點——77K的超導體。第二代超導陶瓷中最著名的莫過於釔鋇銅氧(簡稱YBCO)超導體，它也是由吳茂昆博士發現的第一個臨界溫度超過液態氮的沸點——77K的超導體。 它的結構如下圖，簡單的來說即是一個銅及五個氧所構成的金字塔構造排成層狀，層中有鋇，層間夾釔。其中銅離子扮演的角色極為重要，若將銅原子換掉則臨界溫度大幅下降。而圖中綠色的銅氧平面，在超導機制似乎有很重要的作用，科學家發現此平面上的氧容易脫落，而氧的脫落比例越低臨界溫度越高。超導電流則沿此平面流動，或沿底部的銅氧黃色平面流動。

  33. 三.實驗流程圖： 1. 電源線接到電源供應器。 2. 接上伏特計。 3. 熱電偶接到伏特計上並校正。 4. 小心地將超導體浸入液態氮裡。 5. 當停止沸騰，仔細地將電流直條至0.5安培。 6. 記錄下溫度以及V1、V2的電壓差。 7. 讓液態氮緩慢地蒸發而使超導體逐漸暖化。 8. 當超導體暖化時，記錄下電壓和溫度的差值， 電源供應器關掉，記錄下熱電差值 9. 銅金屬與矽晶片以同樣方式來量測並作圖。

  34. 四、實驗設備及器材 1. YBCO超導體熱電偶 2. 伏特計、 3. 安培計 4. 直流電源供應器 (DC POWER SUPPLY) 5. 液態氮。

  35. 五. 結果與討論: 1. 為何會有超導現象的產生？ 2. YBa2Cu3O7的臨界溫度是多少？ 3. 列舉超導體的應用範圍（每種特性至少一種）？

  36. 六、Video示範教學 建構中

  37. Thank you for your attention

  38. 第三單元 : 電能迴路設計 一.實驗目的： • 本實驗目的在於親自動手體驗電路設計的過程，並透過實驗觀察與記錄，了解電子電路的基本行為，以便未來投身在電子產業中能夠熟練運用這些基本定律。

  39. 二.實驗原理與機制： • 基本定義: 包括一些基本名詞，如電位、電流、電阻、電功率、電容、電感以及一些電的量測單位。

  40. RLC簡介 • 克希荷夫定律的發現: 利用「克希荷夫定律」(Kirchhoff’s laws)，可以簡化複雜的電路求解工作，而這定律是由物理學家勃特‧克希荷夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824 ~ 1887)所推導及發表的。他的定律建立了近代「網路分析」(network analysis)的基礎，同時，不論電路中含有多少個電壓源，都能適用。

  41. (1)克希荷夫電壓定律(KVL) 在電路的任意封閉迴路(Loop)中，電壓升的總和等於電壓降的總和，亦即電壓的代數總和為零。 ΣV=0

  42. (2)克希荷夫電流定律(KCL) 在網路中流入任一節點的電流等於流出該節點的電流，亦即任意節點的電流代數總和為零。 ΣI=0

  43. 基本電路 歐姆定律：科學家歐姆(Georg Simon Ohm,1787-1854)發現，金屬線導電時，兩端的電壓(V)與通過的電流(I)成正比，此電壓與電流的比值即為金屬線的電阻。

  44. (1)一般金屬導體，在定溫下，電壓與電流關係為一通過原點的直線，即電阻維持一定，遵守歐姆定律，如下圖所示。(1)一般金屬導體，在定溫下，電壓與電流關係為一通過原點的直線，即電阻維持一定，遵守歐姆定律，如下圖所示。

  45. (2)有些物體如電子零件中的半導體，其電阻值會隨所加電壓的大小而有明顯變化，其電壓與電流關係不成正比，關係圖為一曲線，不符合歐姆定律，如下圖所示。(2)有些物體如電子零件中的半導體，其電阻值會隨所加電壓的大小而有明顯變化，其電壓與電流關係不成正比，關係圖為一曲線，不符合歐姆定律，如下圖所示。

  46. 依穩定電流而言，電路中電流的大小與加於該電路之電動勢成正比，而與該電路的總電阻成反比。依穩定電流而言，電路中電流的大小與加於該電路之電動勢成正比，而與該電路的總電阻成反比。 即 I = V / R V：電壓降或端電壓，單位為伏特R：被量測部份的電阻，單位為歐姆 • 由歐姆定律可界定歐姆之定義如下： 「一伏特電壓產生一安培電流的電阻 為一歐姆。 」

  47. Vc 充電迴路 放電迴路 t Vc t RC電路 RC電路 ΣV=0 (由克希荷夫定律)

  48. 可以知道電容兩端的電壓，與電容充放電時間有關係可以知道電容兩端的電壓，與電容充放電時間有關係 • R×C的單位為時間，RC值為電容時間常數（τ）， 當t = RC時， • 充電過程，Vc=ε(1-exp(-1))≈ 0.63ε； 放電過程，Vc=ε(exp(-1))≈ 0.37ε， • 於是我們可以利用電容充放電電壓與時間作圖， 即可求出電容的大小。

  49. VL 充電迴路 ΣV=0 (由克希荷夫定律) 放電迴路 t IL t RL電路 RL電路

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