CN116343563A - 一种光电效应教学实验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光电效应教学实验装置及其应用，包括太阳能电池模块或LED模块、光源模块、光学腔模块、供电模块、工作电路模块以及测量模块；光源模块设置多个波段光源，多个波段光源均匀地照射在太阳能电池模块或LED模块的受光面，多个波段光源与太阳能电池模块或LED模块的受光面距离相相同，工作电路模块连接太阳能电池模块或LED模块，太阳能电池模块或LED模块和光源模块可拆卸地设置在光学腔模块中，光学腔模块内部设有反射层，外壁覆有吸光层；供电模块为光源模块供电；测量模块用于监测光源模块及太阳能电池模块的输入输出电压电流值，能够用于测量不同波段光照射下太阳能电池作用效应得到的填充因子，进一步可得系统的转换效率和量子效率。

Description

一种光电效应教学实验装置及其应用

技术领域

本发明属于教学实验设备领域，具体涉及一种光电效应教学实验装置及其应用。

背景技术

目前能源的重要性越来越被人们所重视，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已经成为世界性的问题。为了可持续性发展，人们大量开发了诸如风能，水能等清洁能源，其中以太阳能电池作为绿色能源的开发前景较大。因此，越来越多的高校设立了关于太阳能电池性能的探究实验，以提高学生对太阳能电池基本特性的认识、学习和研究。

然而，市面现有的太阳能电池实验教学仪器基本采用的是白炽灯光源，无法改变照射光的波段，只能让学生测量太阳能电池的在白炽灯光源波长条件下的伏安特性及其暗特性，且实验装置受环境光的影响较大，无法得到较为准确的结果，也不能分析比较不同波长光照射下的结果，更无法计算太阳能电池的量子效率。事实上，量子效率是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数，与光的波长、光强以及太阳能电池结构等因素密切相关。太阳能电池的量子效率谱可以帮助了解电池结构和工艺对电池性能的影响，从而指导电池工艺的改进。量子效率测试在光伏研究中是很有效的分析工具，有着非常重要的作用。因此，在高校相关课程中引入量子效率的测量，让学生理解量子效率的概念及测量是非常必要的。工业中采用的量子效率测试仪设备非常昂贵，无法直接应用于常规实验教学中，所以设计一种价格便宜且可以测量多个波长条件下量子效率的新型太阳能电池教学实验装置是非常有必要的。

发明内容

本发明提供一种可探究太阳能电池量子效率的新型光电效应实验装置，旨在突破现有装置光源单一、受环境影响较大、研究内容较为局限等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光电效应教学实验装置，包括太阳能电池模块或LED模块、光源模块、光学腔模块、供电模块、工作电路模块以及测量模块；光源模块设置多个波段光源，多个波段光源的发射光均匀地照射在太阳能电池模块或LED模块的受光面，多个波段光源与太阳能电池模块或LED模块的受光面距离相相同，工作电路模块和测量模块均连接太阳能电池模块或LED模块的电能输出端，太阳能电池模块或LED模块和光源模块可拆卸地设置在光学腔模块中，光学腔模块内部设有反射层，外壁覆有吸光层；供电模块为光源模块供电，供电模块为可调节的电源；测量模块用于监测光源模块及太阳能电池模块的输入输出电压电流值。

光学腔模块为框型结构，框型结构内侧设置三级阶梯，框型结构靠近光源模块处设置固定柱，框型结构上设置第一顶盖，第一顶盖的一个侧面开设出线槽，第一顶盖的另一个侧设置两个接线柱。

光源模块上设置散热板。

散热板为鳍片式散热板或表面布置散热腔，散热腔有流动的循环散热介质。

光源模块与太阳能电池模块或LED模块的距离可调。

光源模块包括多种发出不同波长光的LED，LED在一平面内呈阵列布置，每种同一波长的LED形成若干LED灯珠串后再并联的结构均匀排布，不同波长的LED交叉排列，光源模块覆盖太阳能电池模块。

光学腔模块外部设置第二顶盖，第二顶盖中设置固定柱，固定柱的空间方位与光源模块上定位孔的方位一致，第二顶盖内壁面贴有高反射率薄膜；第二顶盖的侧面设置两个出线槽，两个出线槽的位置与光源模块的接线位置相对应。

太阳能电池模块的受光面和光源模块中的光学腔相对距离为25-30mm。

本发明所述光电效应教学实验装置的应用，将太阳能电池模块中的太阳能板更换为LED模块，研究光源模块对LED模块照射下的光致发电效应，探究太阳能电池和LED相同的光电效应本质。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本装置采用了多种不同波段的光源照射太阳能电池，除可以更好研究太阳能电池的伏安特性及其暗特性外，增加了探究系统的转换效率及量子效率的研究；装置采用模块化设计，在保证密封性的同时便于拆卸，既能在极大限度上隔绝环境光的影响，又能使学生在实验过程中清晰明了的观察到装置内部的结构。

光源的模块化设计可以减小光源位置对测量结果的影响，同时减小或避免实验受外部环境的影响；可以将太阳能电池模块为更换为LED模块，增加了研究不同光源对LED模块照射下的光致发电效应，在探究太阳能电池和LED相同本质的同时体会二者的异同。

本发明设计的光学腔模块，可以减小或避免实验受外部环境的影响；光源的模块化设计可以减小光源位置对测量的影响；模块可以拆卸和更换，可以将太阳能电池模块中的太阳能板更换为LED模块，研究光源模块对LED模块照射下的光致发电效应，进而探究太阳能电池和LED相同的光电效应本质；本发明突破现有装置受环境影响较大以及光源波长连续无法测量太阳能电池量子效率这一重要参数等相关问题。

光源模块采用多个波段光源组成，可以比较太阳能电池不同波长光作用下系统的转换效率和量子效率，进一步反映光电转化的内部机理。

设计的光学腔模块，可以减小或避免实验受外部环境的影响；光源的模块化设计可以减小光源位置对测量的影响。

模块可以拆卸和更换，可以将太阳能电池模块中的太阳能板更换为LED模块，研究光源模块对LED模块照射下的光致发电效应，进而探究太阳能电池和LED相同的光电效应本质。

附图说明

图1为本发明的结构框架图。

图2为实验装置的外形示意图。

图3为光学腔的示意图。

图4为铝板的示意图。

图5为顶盖的示意图。

图6为PCB的示意图。

图7为第二顶盖的示意图。

附图中，1-支撑架，2-散热板，3-PCB板，4-光学腔，5-高反射率薄膜，6-吸光材料层，7-太阳能电池，8-第一顶盖，9-接线柱，10-LED，12-通孔，13-第一级阶梯孔，14-第二级阶梯槽，15-第三级阶梯孔，16-固定柱，17-储线槽，18-出线槽，19-正负焊盘，20-第二顶盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

光电二极管LED以其节能、环保的主要特点，成为“节能降碳、绿色发展”的最主要照明技术之一，开展相关LED性能的学习实验也是非常必要的。太阳能光伏电池与光电二极管LED核心部分都是PN结，二者都是基于光伏效应的光电器件，它们的基本工作原理都是将光信号转化成电信号或者说将光能转换为电能。基于这一点，本发明还加入了LED的相关光电特性的研究的结构。

参考图1，本发明提供的可探究太阳能电池量子效率的新型光电效应实验装置，包括太阳能电池模块、光源模块、光学腔模块、供电模块、工作电路模块以及测量模块；所述太阳能电池模块可拆卸地安装在光学腔中，将照射至其表面的光能转化为电能进行输出；光源模块可拆卸地安装在光学腔中，在可变供电模块的作用下向太阳能电池发出不同波长不同光强的光，同时为了减小光源位置对测量的影响，本发明设计了一种矩阵式光源分布模块；光学腔模块减小内部光能损失且降低外界环境光的干扰，提高研究太阳能电池对不同波段光的响应特性时实验结果的准确性；供电模块提供可调节的恒定电源；所述工作电路模块可以改变光学腔外界负载，用于辅助监测太阳能电池在恒定光源照射下的电压电流输出特性；测量模块采用万用表，其中万用表并联在工作电路两端。通过设定恒定电源的输出电压或电流值来改变光源模块的输入输出，再用万用表可以测得光源模块及太阳能电池模块的输入输出电压电流值，探究相应的各模块伏安特性关系，还能进一步计算出不同波段光照射下太阳能电池作用效应得到的填充因子，进一步可得系统的转换效率和量子效率。

光源模块采用多个波段光源组成，可以比较太阳能电池不同波长光作用下系统的转换效率和量子效率，进一步反映光电转化的内部机理。

本发明设计的光学腔模块，可以减小或避免实验受外部环境的影响；光源的模块化设计可以减小光源位置对测量的影响；模块可以拆卸和更换，可以将太阳能电池模块中的太阳能板更换为LED模块，研究光源模块对LED模块照射下的光致发电效应，进而探究太阳能电池和LED相同的光电效应本质；本发明突破现有装置受环境影响较大以及光源波长连续无法测量太阳能电池量子效率这一重要参数等相关问题。

以下是一种可实施的具体实例：

参考图2，本发明所设计的实验装置，包括支撑架1，支撑架1的上端固定有散热板2，散热板的中央固定有一块铝基板PCB板3，PCB板3上均匀分布着多种发出不同波长光的LED10，PCB板3上罩有方形的光学腔4，光学腔内侧壁附有高反射率薄膜5，光学腔4外侧壁附有吸光材料层6，光学腔顶部插接有固定太阳能电池7的第一顶盖8，第一顶盖8上装有太阳能电池的部位可以更换为LED10。本发明采用多组不同单色光LED作光源，探究不同波长条件下太阳能电池的量子效率；采用阵列式排布单色LED发光组，使太阳能电池受光更均匀；采用光学腔设计，提高太阳能电池的转换效率，避免环境光对实验的干扰；将太阳能电池板更换为LED阵列，可研究LED的光致发电，通过实验可以验证太阳能电池与LED具有相同的物理本质。

参考图2、图4、图5和图6一种探究光伏效应底层量子机理的实验装置，包括有支撑架1，支撑架1的上端固定有散热板2，散热板2用于散热，也可以用其他导热性较好的板材代替，散热板2的一侧设置有接线柱9，接线柱9数量与所用LED10的种类数相同，其数量为偶数，例如6个，所述散热板2的中央固定有一块PCB板3，PCB板3上均匀分布着多种发出不同波长光的LED10，PCB板3板上罩有方形的光学腔4装置，光学腔4内侧壁覆有高反射率薄膜5，光学腔4外侧壁覆有吸光材料层6，光学腔4顶部插接第一顶盖8，第一顶盖8上固定太阳能电池7，第一顶盖8外部一侧固定有接线柱9。

散热板2固定在支撑架1上，散热板2的一侧边缘交叉式排布装有多组与PCB板3连接的接线柱9，在本实施例中，6个接线柱9分别与焊接三种LED10线路的正负极的导线相连；散热板采用铝或铜制成。

PCB板3在本实施例中为铝基板，也可用其他材料制作的多层PCB板3，PCB板3上安装有多种发出不同波长光的LED10，在本实施例中每种同一波长的LED形成四串四并的均匀排布，不同波长的LED相互交叉排列，不同波长的光源电路互不干扰，LED10覆盖整个太阳能电池7所处区域，PCB板3的四角有四个通孔12，四个通孔12用于与散热板2和光学腔4的固定。

LED10的数量也可以根据装置的尺寸规格进行调整，组成矩阵式LED组件，波长种类也可以根据实际需求设置。

参考图3和图5，光学腔4为上下导通的长方体结构，光学腔4内部为三级阶梯孔设计，光学腔4内部靠近铝板的第一级阶梯孔13有四根固定柱16，四根固定柱16的空间方位与PCB板3的四个定位孔12的方位一致，可以插接穿过PCB板3和铝板以起到固定作用，第一级阶梯孔13的两个相对侧边设有两个储线槽17，储线槽17为铝基板上的焊锡及导线留了放置空间，第一级阶梯孔13的另一条侧边处设有两个出线槽18，所述两个出线槽18的位置与PCB板3上正负焊盘19的位置相对应，出线槽18用以引出LED10阵列的正负极导线与外界铝板上的接线柱9相连，第二级阶梯槽14将光场区域限定到LED10阵列的范围，第二级阶梯槽14的四面侧壁贴有高反射率薄膜5，第三级阶梯孔15的外侧安放有太阳能电池7，第三级阶梯孔15的通光面积与太阳能电池7的有效面积一致。

高反射率薄膜5的反射率不低于90％。

太阳能电池7的受光面与LED10的发光面相对放置在光学腔4的第三级阶梯顶部，太阳能电池7安置于第一顶盖8下方，所述第一顶盖8的一个侧边留有出线槽18，第一顶盖8的另一侧固定有两个接线柱9。

参考图7，PCB板3的上方可以安装内部装有相同PCB板3的第二顶盖20来作为本装置的另一实施例，第二顶盖20内部有四根固定柱16，四根固定柱16的空间方位与PCB板3的四个定位孔12的方位一致，所述第二顶盖20内部的四面侧壁贴有高反射率薄膜5，所述第二顶盖20一条侧边处设有两个出线槽18，两个出线槽18的位置与PCB板3上正负焊盘19的位置相对应。

利用本发明的技术方案制作的一种探究光伏效应底层量子机理的实验装置，以光伏效应现象作为载体，探究了其底层的量子机理，使学生对这部分知识形成理性认识。

本发明采用模块化设计，便于实验者对各部分的拆卸与组装，增加了实验的趣味性，同时可以更直观的观察到装置的内部各部分结构，且更深入的了解到实验原理，打破了传统黑箱实验仪器高度封装不利于了解其工作原理的弊端。

光学腔4内部贴有高反射率薄膜5，能有效减少光子的逸出损失，增大光电转换效率，从而提高实验测量的灵敏度与准确性；光学腔4外侧壁附有吸光材料层6，能有效减少外部环境光的透射，从而降低环境对实验结果的影响。

光学腔4下方接触的铝板具有良好的导热性，能将LED10工作时在PCB板3上产生的热量及时散发出去，可以有效缓解局部升温对实验结果的影响。

PCB板3上的LED10排布采用阵列式设计，同时，本装置中所使用的太阳能电池7和设计的LED10阵列在光学腔4中的相对距离为25-30mm，以上设计使得每一种LED10的光都能在腔体框定范围中均匀照射到太阳能电池7上。

Claims (9)

1.一种光电效应教学实验装置，其特征在于，包括太阳能电池模块或LED模块、光源模块、光学腔模块、供电模块、工作电路模块以及测量模块；光源模块设置多个波段光源，多个波段光源的发射光均匀地照射在太阳能电池模块或LED模块的受光面，多个波段光源与太阳能电池模块或LED模块的受光面距离相相同，工作电路模块和测量模块均连接太阳能电池模块或LED模块的电能输出端，太阳能电池模块或LED模块和光源模块可拆卸地设置在光学腔模块中，光学腔模块内部设有反射层，外壁覆有吸光层；供电模块为光源模块供电，供电模块为可调节的电源；测量模块用于监测光源模块及太阳能电池模块的输入输出电压电流值。

2.根据权利要求1所述光电效应教学实验装置，其特征在于，光学腔模块为框型结构，框型结构内侧设置三级阶梯，框型结构靠近光源模块处设置固定柱(16)，框型结构上设置第一顶盖(8)，第一顶盖(8)的一个侧面开设出线槽(18)，第一顶盖(8)的另一个侧设置两个接线柱(9)。

3.根据权利要求1所述光电效应教学实验装置，其特征在于，光源模块上设置散热板(2)。

4.根据权利要求3所述光电效应教学实验装置，其特征在于，散热板(2)为鳍片式散热板或表面布置散热腔，散热腔有流动的循环散热介质。

5.根据权利要求1所述光电效应教学实验装置，其特征在于，光源模块与太阳能电池模块或LED模块的距离可调。

6.根据权利要求1所述光电效应教学实验装置，其特征在于，光源模块包括多种发出不同波长光的LED(10)，LED(10)在一平面内呈阵列布置，每种同一波长的LED形成若干LED灯珠串后再并联的结构均匀排布，不同波长的LED交叉排列，光源模块覆盖太阳能电池模块。

7.根据权利要求1所述光电效应教学实验装置，其特征在于，光学腔模块外部设置第二顶盖(20)，第二顶盖(20)中设置固定柱(16)，固定柱(16)的空间方位与光源模块上定位孔(12)的方位一致，第二顶盖(20)内壁面贴有高反射率薄膜(5)；第二顶盖(20)的侧面设置两个出线槽(18)，两个出线槽(18)的位置与光源模块的接线位置相对应。

8.根据权利要求1所述光电效应教学实验装置，其特征在于，太阳能电池模块的受光面和光源模块中的光学腔(4)相对距离为25-30mm。

9.权利要求1-8任一项所述光电效应教学实验装置的应用，其特征在于，将太阳能电池模块中的太阳能板更换为LED模块，研究光源模块对LED模块照射下的光致发电效应，探究太阳能电池和LED相同的光电效应本质。

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