目录背景资料 (1)（一）知识背景 (1)一、利用太阳能 (1)二、太阳能的光—电转换 (1)三、太阳能电池 (1)四、有关物理概念 (3)五、结合校园科技景点 (4)（二）方法背景 (4)1、设计理念 (4)2、对象及用途 (4)3、教材分析 (4)课程目标 (5)活动方案 (5)（一）示范性方案：太阳能电池基本性能的研究 (5)太阳能电池性能研究实验报告记录（学生用） (7)课余拓展实验（学生自己设计实验报告） (7)（二）指导性方案：太阳能凉帽的制作 (8)太阳能凉帽的制作研究实验报告记录（学生用） (9)利用太阳能作品设计申报表...........................................................................10（三）拓展性方案：太阳能电池的研究和利用...................................................1 1 课外实验研究（请你试一试） (13)研究成果总结 (13)校园中太阳能电池的利用——学习单 (14)课题申请表 (14)课题实施记录 (15)交流汇报提纲 (15)课题研究结题报告 (16)课题评价 (17)参考资料………………………………………………………………………………………。

18校园中太阳能电池的利用上海市南洋中学陆赵华背景资料（一）知识背景能源是人类社会发展的物质基础，长期以来，大量使用的煤炭、石油和天然气等化石能源不仅日益枯竭，而且造成了严重的环境污染。

面临能源和环境的双重挑战，人们不得不研究开发利用清洁和可再生的新能源（缩写为NRSE，即New and Renewable Sources of Energy），以求人类的可持续发展，这也是现代科学技术永恒的主题。

很自然的想法是向太阳要电能，但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量，使其成为本世纪的一大可利用能源，是新能源开发中的一个重要课题。

我们学校设立以新能源系列为特色的科技景点，就是为了介绍和普及新能源的知识和应用，期望作为明天主人的青少年学生能够从直观上对新能源有所了解或由此产生兴趣和引起关心，也希望得到全社会的关心和扶植，使更多的有识之士立志献身于这一事业。

一、利用太阳能太阳内部不停地进行着热核反应（氢变为氦），同时释放出巨大的能量。

地球所接受的太阳能功率，平均每平方米为1353千瓦，这就是所谓的“太阳常数”。

也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量。

就是这些能量比目前全世界人类的能耗量大 3.5万倍。

地球每年所接收的太阳能至少有6×1017kW·h，相当于74万亿吨标准煤的能量。

可见利用太阳能的潜力很大，开发利用太阳能大有可为。

虽然很久以来，人们在不同程度地利用着其能量（右图是利用太阳能的主要途径）。

二、太阳能的光—电转换太阳能的大规模利用，主要是用于发电，发电方式有两种：光—热—电转换方式：就是利用太阳辐射热能发电，一般是由太阳能集热器将吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，后一过程与火力发电一样。

太阳能热发电的缺点是效率低而成本高，至少比普通火电站贵5～10倍。

光—电直接转换方式；其基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。

光—电转换的基本装置就是太阳能电池，它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中续站、高山气象站等许多方面，尤其可以分散在边远山区、高山沙漠、海岛和农村使用，以节省一些造价很贵的输电线路。

三、太阳能电池1、太阳能电池原理介绍太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，在物理学上叫“光生伏打效应”。

太阳能电池就是根据这种效应制成的。

例如对于单晶硅太阳能电池来说，把单晶硅这种晶体切成（0.3--0.5mm 左右的）薄片后，经微量元素掺杂分别制成P 型或N 型半导体。

简单的说，负电荷固定而正电荷可以自由移动的称为P 型半导体；而正电荷固定而负电荷可以自由移动的称为N 型半导体。

如果将这两种型式的半导体放在一起，在阳光的照射下，一些光子同组成半导体的原子价电子碰撞，产生电子--空穴对，电子便会通过P--N 结沿相反方向扩散，使P 型层带正电，N 型层带负电，而产生电动势。

若分别在P 型层N 型层焊上金属接触膜，接通负载，就会形成直流电流，如右图所示，如此形成的电池元件，经过适当的串联和并联，就能产生一定的电压和电流，输出所需的电能。

目前生产的光电池转换效率一般在10--20%之间，当地面阳光强度为1千瓦/米2时，每片光电池的开路电压约为0.55伏，短路电流约为30--35毫安/厘米2。

2、太阳能电池的种类目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。

单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达20%以上，但价格也最贵。

非晶态硅太阳能电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。

当然，特殊用途和实验室中用的太阳能电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电地，光电变换效率可达36％。

3、太阳能发电的前景早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。

但这需要解决向地面无线输电问题。

现已提出用微波束、激光束等各种方案。

1991年8月，世界各国太阳能专家聚集巴黎，专门讨论了太空太阳能电站问题。

这种空间太阳能电站建在地球同步轨道的一个固定位置上，向地球上固定区域供电。

其发电及传输示意如右图所示。

在太阳能收集板上铺设太阳能电池，通过光电转换把太阳能转变成电能，再经微波转换器将直流电转换成微波，并通过天线将电能以微波形式向地面发送。

地面接收站通过整流天线把微波能还原成电能。

目前已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电。

四、有关物理概念1、电动势电源内部的非静电力把单位正电荷从电源负极经内电路移动到正极过程中做的功。

电动势的符号是ε，单位是伏(V)。

电源是一种把其他形式能转变为电能的装置。

要在电路中维持恒定电流，只有静电场力不够，还需要有非静电力。

电源提供非静电力，把正电荷从低电势处移到高电势处，非静电力推动电荷做功的过程，就是其他形式能转换为电能的过程。

电动势是表征电源产生电能的性能的物理量。

如：电动势为6伏说明电源把1库正电荷从负极经内电路移动到正极时非静电力做功6焦。

有6焦的其他其形式能转换为电能。

当电源的外电路断开时，电源内部的非静电力与静电场力平衡，电源正负极两端的电压等于电源电动势。

当外电路接通时，端电压小于电动势。

不同电源非静电力的来源不同，能量转换形式也不同。

化学电动势(干电池、钮扣电池、蓄电池等)的非静电力是一种化学作用，电动势的大小取决于化学作用的种类，与电源大小无关，如干电池无论1号、2号、5号电动势都是1.5伏。

发电机的非静电力是磁场对运动电荷的作用力。

光生电动势(光电池)的非静电力来源于内光电效应。

压电电动势(晶体压电点火、晶体话筒等)来源于机械功造成的极化现象。

2、内电压电源对外电路供电时，通过电源的电流与电源内电阻的乘积。

内电压又叫电源内电路的电压降。

通常认为电源内电阻r为一定值，故电流I越大，内电压Ir也越大。

当电源外电路断路时，电流I=0，内电压Ir=0。

电源外电路短路时，电流I=ε/r，内电压Ir=ε。

根据闭合电路欧姆定律知，电源电动势等于电源端电压与内电压之和，即ε=U+Ir, ε为电动势，U为端电压。

3、端电压电源正负极间的电压。

端电压等于把单位正电荷从正极移到负极时电场力做的功。

通过电源的电流为零时，端电压U等于电动势ε，我们常利用这一特点测量电动势。

电源放电时，若外电路为电阻R，通过电路的电流为I，则端电压U=IR 。

根据闭合电路欧姆定律知，端电压等于电源电动势减去内电压即U=ε-Ir=ε-εr/（R+r），端电压随电流的增大线性减小，端电压随外电阻的增大而增大。

U-I图象直线斜率的负值等于电源内电阻。

应该注意，若外电路的用电器不是纯电阻R，而是电动机、电解槽等，则端电压U≠IR，U=ε－Ir仍成立，当通过电源的电流I=0时，如外电路断路时，内电压为0，U=ε。

电源充电时，端电压等于电动势加内电压，即U=ε+Ir。

4.闭合电路欧姆定律通过闭合电路的电流等于电路中的电源电动势除以闭合电路总电阻。

若电源电动势为E，电源外电路的电阻为R，内电阻为r，则闭合电路的电流I=ε/（R+r）这是电学基本定律之一，该定律也可表达为ε=IR+Ir或闭合电路的电动势等于端电压与内电压之和。

闭合电路欧姆定律说明：通过闭合电路的电流由电动势和闭合电路的总电阻决定。

恒定电流一定是闭合的，定律从整体上说明了电流的决定因素。

部分电路的欧姆定律说明：一段纯电阻电路中的电流，由电阻两端的电压和电路的电阻决定。

5.电源电动势和内电阻的测定电动势和内电阻是反映电源重要特征的两个物理量。

测量电动势E和内电阻r的方法很多。

(1)伏安法：用伏特表测电动势ε，用安培表测电流I。

(2)伏欧法：用电压表和定值电阻测量ε、r的电路如右图，用不同的定值电阻测出端电压，则联立解得ε和r。

由于电压表的电阻不是无穷大，测出的电源电动势、内电阻都比真实值小。

(3)安欧法用电流表和定值电阻测量ε、r的电路如右图，用不同的定值电阻测出电路中电流，则联立解得ε和r。

由于电流表的电阻不为零，测出的电动势虽是准确的，但内电阻比真实值大。

三种测量方法由于电表电阻的影响都要造成系统误差，测量精确度不够高。

如不需要精确测量电动势，我们常采用简单的方法粗测，即把电压表连结电源两端，电压表的读数就等于电动势。

五、结合校园科技景点太阳能石英钟：这钟（右图）是70年代初造的，靠太阳能电池提供动力，曾是上海市第一台太阳能钟，因年久失修，被作为废物堆放在某单位。

后被我校老师将它觅来，和同学们一起进行了修理，如今它走时仍很准确，已成为南洋中学的一个标志。

（二）方法背景1、设计理念本活动以高中学生为主体，依托学校科技教育环境（新能源特色）的优势，研究太阳能电池的原理与主要特性，培养学生对科学的兴趣和爱好，激发学生的创造思维，增强成为新能源开拓者的决心。

使学生在研究性的活动中逐步了解科学最基本的概念和过程，逐步培养学生具有从事科学技术活动的基本技能；使学生养成科学的思维习惯，掌握一定的科学方法，提高他们运用科学分析问题解决问题的能力；培养他们具有严谨、求实的科学态度和科学行为习惯。

帮助他们树立科学的观念和精神，理解科学技术和社会的关系，为他们今后创造性地从事或参与科学技术活动和社会实践打下基础。

2、对象及用途（1）高中教师和学生。

（2）科技辅导员。