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——以“测定太阳能电池片特性”实验为例

郑扬威

(广州市第二中学 广东 广州 510530)

1 电池的参数

高中物理教材人教版选修3-1研究过干电池的伏安特性曲线，即外电压U与干路电流I的关系，从中得到电池的电动势E与内阻r.E和r是电池性能的两个重要参数.对于干电池来说，其电动势和内阻一般保持不变(除非用久了或者化学物质“变质”了).那么，今天我们来研究一下太阳能电池片的电动势与内阻的影响因素.

2 测量原理介绍

根据所学知识，电动势等于电路断开时电池两端的电压，即开路电压.电池内阻等于电动势与短路电流的比值.我们设计如图1和图2所示的电路图，在图1中电压表的读数U=E，图2中电流表读数I为短路电流，则电池片内阻为

图1 开路电压测量

图2 短路电流测量

为实现在一个电路图中能测到电流和电压，我们采用单刀双掷开关设计.图3为优化后的电路图设计.当开关接触a端，测量开路电压；接触b端，测量短路电流.

图3 优化后的电路图

电池的输出功率P等于路端电压U与干路电流I的乘积，即P=UI.我们设计如图4所示的电路图研究电池片的输出功率问题.在稳定亮度的光源下，改变电阻箱阻值，测出路端电压和干路电流，分析U-I曲线并计算输出功率.由闭合电路欧姆定律

E=U+Ir

得到

U=E-Ir

可知U-I曲线的截距为电动势E，斜率的绝对值为内阻r.同时由理论分析可知当外电阻等于内阻时，电源输出功率最大.

图4 电池片输出功率研究电路

3 探究太阳能电池片的相关参数

根据太阳能电池片的特点，我们猜想电动势可能与光照强度(W/m2)、光照面积等有关系.由于电池本身是半导体材料制作的，因此电池片内阻可能也受温度影响.

活动1:在室外粗略研究光照强度和光照面积对电动势的影响.

器材：太阳能电池板、数字化多用电表、导线若干.

活动1如图5所示.

图5 活动1

活动2:在室内研究光照强度和温度对电池电动势和内阻的影响,如图6所示.

图6 活动2

方法：采用控制变量法；

器材：亮度可调的光源、电池板、数字多用电表、多用电表(mA挡)、开关、导线若干；

电路：按图3实验电路图进行测量；

记录：电压表读数(E)、干路电流(I)见表1.

实验一结论：温度不变时，亮度越大，电动势越大，内阻越小.

实验二结论：亮度不变时，温度越高，电动势越小，内阻也越小.同时短路电流，即电池片的输出电流几乎不变.

由于太阳能电池片由半导体材料制成，因此温度越高，电池片内阻越小.至于亮度影响内阻以及亮度不变时，输出电流几乎不变，则需要在大学物理继续深入学习，在这里不做赘述.

表1 实验数据记录

活动3:在室内探究太阳能电池片的输出功率问题.

器材：可改变光照强度的光源、电池板一块、数字多用电表一台(测电压)、电阻箱、指针多用电表(mA挡)、开关、导线若干.

注意：为避免光照强度对电池板温度的影响，每测量一组数据迅速记录并关灯.

实验电路图与学生实验过程如图7和图8所示.

图7 实验电路图

图8 学生实验

实验数据记录如表2所示.

表2 实验数据记录

从图9可知，电池板输出功率随负载电阻变化而变化，且先增大后减小，存在一个最大值；从图线和表格中可以看出，当负载的阻值与电池板内阻接近时，电池板的输出功率趋于最大.这个结果与理论推导的结论吻合.

图9 P-R曲线

如图10所示，I-U图的斜率代表太阳能电池片的“等效内阻”.从I-U图可以看出，电压在某个值前后，图线基本是直线，说明“等效内阻”不变.但当电压达到某一个值时，“等效内阻”突然改变.过某点做I轴与U轴的垂线，此时围成的面积表示输出功率.显然，在拐角处的输出功率最大.实验中的拐角处刚好是表格数据中的U=16.87 V，I=0.014 A这个点，通过表格可以看出这个点的输出功率最大.

图10 I-U曲线

由于数据不够多，实验结果可能存在些许误差.但实验结果总体上与理论分析吻合，即当外电阻与内电阻相等时，电源输出功率最大.

同时测量过程发现两个电流表示数始终相同，说明数字电表电压挡的内阻几乎无穷大.笔者猜想，数字电表的电流挡内阻应该几乎为零，暂时没去验证.

对太阳能电池片而言，转化效率才是太阳能电池片性能最重要的参数，转化效率等于输出功率与入射光功率的比值.转化效率越高，说明一定量的太阳能转化为电能的比率越大，如何提高转化效率是太阳能电池研究的重要内容，后续将继续研究这个内容.