氧化銅太陽能電池制作方法

一、 所需器材:銅片、肥皂清潔劑、食鹽、水、量杯、天平、三腳架、陶瓷纖維網、酒精燈、 三用電表、鱷魚夾、直尺、螺旋測微器。二、實驗步驟:1.裁好所需尺寸大小的銅片兩片，并以肥皂清洗，去除表面油污。2.將銅片乾燥后，以酒精燈加熱銅片，直到銅片表面全部變黑3.將加熱好的銅片氧化銅靜置冷卻。 注意:氧化銅極易脫落，冷卻時應避免移動或觸碰4.調配好所需濃度的食鹽水溶液500mL。5.將銅片與氧化銅片浸入食鹽水中適當深度，并以鱷魚夾固定后，以電線分別連接三用電表之正負極。6.將步驟五之實驗裝置置於陽光下，并注意將黑色的氧化銅面正向陽光肆、研究方法1. 實驗一:食鹽水濃度的影響控制變因:反應物在液面下的面積12.5cm2、食鹽水體積500mL、銅片的大小 5*5cm2 與厚薄、銅片加熱為氧化銅的時間30分鐘 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:食鹽水濃度5%、10%、15%應變變因:輸出電流的大小。2. 實驗二:反應物在液面下面積的影響控制變因:食鹽水濃度10%、食鹽水體積500mL、銅片的大小 5*5cm2 與厚薄、銅片加熱為氧化銅的時間30分鐘 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:反應物在液面下的面積12.5cm2、6.25cm2。應變變因:輸出電流的大小。3. 實驗三:銅片厚薄的影響控制變因:食鹽水濃度10%、食鹽水體積500mL、銅片的大小 5*5cm2 、銅片加熱為氧化銅的時間30分鐘 、反應物在液面下的面積 12.5 cm2 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:銅片厚薄0.1mm、0.05mm應變變因:輸出電流的大小。4. 實驗四:銅片的大小的影響控制變因:食鹽水濃度10%、食鹽水體積500mL、銅片的厚薄、銅片加熱為氧化銅的時間30分鐘 、反應物在液面下的面積12.5 cm2 、18 cm2 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:銅片大小 5*5cm2 、6*6cm2 應變變因:輸出電流的大小。5. 實驗五:電解液種類的影響控制變因:電解液濃度10%、食鹽水體積500mL、銅片的大小 5*5cm2 、厚薄、銅片加熱為氧化銅的時間30分鐘 、反應物在液面下的面積12.5 cm2 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:電解液種類食鹽水、硫酸銅水溶液應變變因:輸出電流的大小。6. 實驗六:不同金屬片的影響控制變因:食鹽水濃度10%、食鹽水體積500mL、銅片的大小 5*5cm2 、厚薄、金屬片加熱的時間30分鐘 、反應物在液面下的面積 12.5cm2 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:不同金屬片銅片、鋁片應變變因:輸出電流的大小。7. 實驗七:銅片燃燒的時間控制變因:食鹽水濃度10%、食鹽水體積500mL、銅片的大小 5*5cm2 、厚薄、反應物在液面下的面積 12.5 cm2 、實驗開始時間中午12:30。操縱變因:金屬片加熱的時間30分鐘、1小時。應變變因:輸出電流的大小。伍、研究成果與討論1 實驗一:食鹽水濃度的影響開始時間:民國九十二年三月三日中午12:30表1-1食鹽水濃度15%時間分 0 26 48 53 69 72 93 150電流mA 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35表1-2食鹽水濃度10%時間分 0 18 26 59 74 77 106 142電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.65 0.55 0.5 0.45表1-3食鹽水濃度5%時間分 0 25 47 75 86 94 117 156電流mA 0.75 0.7 0.65 0.6 0.5 0.55 0.45 0.4當食鹽水濃度15%時，電池最大電流有0.7mA；而食鹽水濃度10%時，電池最大電流有0.80mA；食鹽水濃度5%時，電池的最大電流0.75mA。也就是說，食鹽水濃度太大，反而形成輸出電流的阻力食鹽水溶液中導電粒子碰撞的機率增高因此，在以下的實驗中，我們決定采用食鹽水濃度10%為最佳。另外，值得一提的是，食鹽水溶液會逐漸變?yōu)榈G色，我們認為可能是銅綠所造成的。2 實驗二:反應物在液面下面積的影響開始時間:民國九十二年三月二日中午12:30表2-1浸入面積:12.5cm2時間分 0 13 39 43 56 60 67電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5表2-2浸入面積:6.25cm2時間分 0 2 5 8 20 44 65電流mA 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15當銅片與氧化銅片浸入食鹽水中的面積達一半時，電池最大電流有0.8mA；當銅片與氧化銅片浸入食鹽水中的面積達四分之一時的最大電流0.45mA。所以，我們認為反應物在液面下面積越大所產生的電流也就越大。3 實驗三:銅片厚薄的影響開始時間:民國九十二年三月四中午12:30表3-1 較厚銅片 厚度0.5mm時間分 0 26 48 53 69 72 93電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5表3-2 較薄銅 片厚度 1mm時間分 0 13 39 43 56 60 67電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5當較薄銅片反應時，電池最大電流0.8mA；換上較厚的銅片 ，最大電流亦是0.8mA。顯示出銅片的厚薄并非影響輸出電流大小的主要變因。4 實驗四:銅片的大小的影響開始時間:民國九十二年三月五日中午12:30表4-1 銅片的大小 :36 cm2時間分 0 12 15 75 107 121 150電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5表4-2 銅片的大小 :25 cm2時間分 0 12 55 84 112 147 163電流mA 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35我們發(fā)現(xiàn)以面積36cm2的銅片為電極的電池，電流0.8mA；而以25M2的銅片為電極的電池，電流0.65mA。這項結果與討論二意義相同，而「太陽能電池需要大面積來產生較大的電流」在此亦可得到驗證。5 實驗五:電解液種類的影響開始時間:民國九十二年三月六中午12:30表5-1電解液:食鹽水10%時間分 0 3 14 27 41 87 122電流mA 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25表5-2電解液:硫酸銅水溶液10%時間分 0 13 44 57 77 90 120電流mA 0.1 0.05 0 0.05 0 0 0我們用硫酸銅水溶液和食鹽水來比較，發(fā)現(xiàn)以硫酸銅水溶液為電解液的電池最大電流只有0.1mA而以食鹽水為電解液的電池最大電流有0.55mA，為什N硫酸銅溶液最大電流會那N??？我們想可能是因為負極的氧化銅片和硫酸銅水溶液中的銅離子Cu+2活性相近，不利於溶液中離子的導電，電流也小。所以，電解液的種類是影響電池電流的重要因素之一。6 實驗六:不同金屬片的影響開始時間:民國九十二年三月七中午12:30表6-1金屬片:銅片時間分 0 26 48 53 69 72 93電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.55 0.5 0.45表6-2金屬片:鋁片時間分 0 26 48 60 75 90 120電流mA 0.1 0.05 0 0 0 0 0我們使用了銅片和鋁片，發(fā)現(xiàn)以銅片為電極的電池最大電流是0.80mA；以鋁片為電極的電池最大電流只有0.10mA。我們想，有可能是選用鋁片作為電極時，并不適合以食鹽水溶液作為電解液；也有可能鋁片本身就不適合作為太陽能電池的電極。7 實驗七:銅片燃燒的時間開始時間:民國九十二年三月八中午12:30表7-1 銅片燃燒的時間1小時時間分 0 2 4 32 41 63 84電流mA 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4表7-2銅片燃燒的時間30分鐘時間分 0 26 48 53 69 72 93電流mA 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5銅片燃燒時間為一小時，最大電流有0.70mA，可是當銅片燃燒時間三十分鐘，最大電流有0.80mA。可見在制作氧化銅片時，雖然加熱愈久，產生的氧化銅愈多，但可能因溫度過高，反而導致生成的黑色的氧化銅更易脫落，真正附著於銅片表面的氧化銅較少，所以，電池的電流不增反減。因此，銅片燃燒時間最好設定在三十分鐘。陸、結論一 本實驗在日照下，由負極氧化銅片上的光電效應所產生之電子，配合銅片作為正極以及電解液食鹽水的導電，可對外輸出電流0.8mA本次實驗的最大電流。若在室內或陽光不充足的地方，本實驗裝置亦可產生約0.1mA的電流，不過此時的電流應該是氧化還原反應所產生的，而且負極是銅片，正極為氧化銅。所以，本實驗裝置的確是屬於太陽能電池的一種。二 本實驗的優(yōu)點是取得材料容易，而在適當?shù)臈l件下，諸如:日照充足、以濃度10％的食鹽水作為電解液，置於食鹽水面下的銅片與氧化銅片面積愈大愈好，加熱銅片以三十分鐘較佳，實驗所得的電流較為可觀。三 本實驗有兩點可供改良之處:1氧化銅片常容易在拿取或實驗的過程中脫落，可在氧化銅表面以一層透明膠帶黏著，以避免造成輸出電流減少或導致實驗產生較大的誤差。2加熱銅片可以用烤箱來取代，不僅加熱較為均勻，烤箱亦可以設定時間長短與熱源強度，增加實驗準確度。柒、參考文獻1. 自然科學知識文庫 ，臺北市，北一出版，1978。2. 科學教授 ，臺北市，故鄉(xiāng)出版，1981。3. 電池組與能源系統(tǒng)，爾泰曼著，張桐生譯，臺北市，徐氏出版，1989。4. 普通物理學第四冊，Harris Benson著，張潔儀、鄭宜男譯，臺北，狀元出版社，1992。