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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、多媒體示範教學實驗內容綱要第一單元:太陽能電池一.實驗目的：利用PNJUCTION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：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。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(potentialbarrier)；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(solarcell)。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。，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-voltagecharacteristics)。(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(reversedbiased)；而當V略正時，又完全導通，電流很大，稱為順向偏壓(forwardbiased)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-biasedsaturationcurrent)IS三實驗步驟首先將太陽能電池面板與DCA、DCPOWERSUPPLY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-VCurve，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-VCurve。四實驗設備及器材DCA、DCPOWERSUPPLY、太陽能電池面板、風扇、紅色與藍色玻璃紙五結果與討論PNJunction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-VCurve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-VCurve有所不同？六、Video示範教學建構中Thankyouforyourattention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。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。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。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（Cooperpair），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,andR.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。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（MeissnerEffect）」。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。3.約瑟夫穿隧效應(JosephsonEffects)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。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。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）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。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。1.YBCO超導體熱電偶2.伏特計、3.安培計4.直流電源供應器(DCPOWERSUPPLY)5.液態氮。四、實驗設備及器材五.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）？六、Video示範教學建構中Thankyouforyourattention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。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。RLC簡介克希荷夫定律的發現:利用「克希荷夫定律」(Kirchhoff’slaws)，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(GustavRobertKirchhoff，1824~1887)所推導及發表的。他的定律建立了近代「網路分析」(networkanalysis)的基礎，同時，不論電路中含有多少個電壓源，都能適用。(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(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基本電路歐姆定律：科學家歐姆(GeorgSimonOhm,1787-1854)發現，金