解读不同材料的电流-电压曲线

元件

本文讨论了测量和解释太阳能电池、电池和未知材料的电流-电压曲线所涉及的思想
本文讨论了测量和解释太阳能电池、电池和未知材料的电流-电压曲线所涉及的思想。
本技术文章讨论了如何利用理想、线性元件的 I-V 曲线来理解和解释不同的材料，以及如何将它们用作电子器件。特别是，文章涵盖了太阳能电池，电池和新材料。虽然外部参考将提供这些设备如何工作，本文将只集中在这些设备的 I-V 曲线。
太阳能电池的 I-V 曲线
太阳能电池是将光能转化为电能的光电装置。换句话说，当它们暴露在光线下时就会产生能量。当光照射到光伏半导体材料(太阳能电池)上时，光子的能量转移到材料上，产生自由移动的电荷。
对于带有负载电阻器的完整电路，当太阳能电池暴露在光下时，电路中产生电流。由于太阳能电池产生电流，其 I-V 曲线是通过负载切换得到的。
负载切换涉及使用不同的电阻负载连接在一个电源和测量电压跨设备(使用伏特计) ，以及通过它的电流(使用安培计)。为了了解太阳能电池向电路提供电流的程度，我们用负载切换法测量了器件的 I-V 特性。一条典型的曲线如图1所示。

图1。太阳能电池固定照明的 I-V 测量电路示意图(上图)和太阳能电池的典型 I-V 曲线(下图)。

对于0欧姆(短路)的电阻负载，太阳能电池在给定入射照明下能产生的最大电流称为短路电流ISC
.在另一个极端，对于无限欧姆(开路)的电阻负载，电路中不会有电流，而太阳能电池在给定照明下产生的电压称为开路电压.
从图1所示的太阳能电池的 I-V 响应，我们看到，典型的太阳能电池倾向于更像一个负载电阻值较小的电流源。另一方面，正如我们将在下一节中看到的，电池的性能趋向于像电压源。
电池的 I-V 曲线
电池是一种电池的集合，是一种通过电化学反应将化学能转化为电能的装置。根据电池的化学结构和成分，电池的额定电压和容量(A-hr)。电池类型的例子是镍镉(镍镉)或锂离子(锂离子)。
由于电池是电源，电池的 I-V 响应是通过负载切换获得的。电池的 I-V 曲线示意图如图2所示。

图2。负载开关测量的理想电池(顶部)和理想电池的 I-V 曲线，以及一个典型的实际电池(底部)。由于 I-V 曲线的线性特性，实际电池通常被建模为具有内阻的串联理想电池

理想的电池就像理想的电压源一样工作。一个真正的电池，仍然是完全功能的表现像一个理想的电压源，但它有一个斜率，如图2所示的实线。
线上的斜率是电阻(在理想组件的 I-V 曲线上有描述)。因此，一个真正的电池通常被描述为一个理想的电池串联的内部电阻，正如这里描述的。太阳能电池和电池的 I-V 特性不会穿过原点，这表明它们储存了某种形式的能量。

新材料的 I-V 曲线
我们已经看到了理想元件的电流-电压曲线，它们是线性器件和无源器件，如电阻器、电容器和电感器。我们还研究了提供电力的主动装置，如理想的电压源和电流源。
利用理想曲线图，我们观察了非线性、无源器件如二极管、晶体管以及有源器件如太阳能电池和电池的 I-V 曲线。在某一时刻，像二极管和太阳能电池这样的设备是未知的，测量电流电压特性是一种使用线性元件建模的方法。在 I-V 曲线背后拥有基本的直觉，可以帮助工程师发现材料的新用途。
在这一节中，我们将观察刺激电极的 I-V 曲线，这种电极用于在哺乳动物体内发送电脉冲。本文的这一部分只是提供了一个洞察力，我们可以如何使用的 I-V 曲线的线性组成部分，可视化一个未知的 I-V 响应，并有一个直觉，如何表现。
神经刺激电极
电极是与电路的非金属部分接触的导电材料。例如，电池是由放置在电解液中的电极组成的。为了研究电极中使用的材料，电化学家进行一种称为循环伏安法的测量，这实质上是一种使用电压扫描法测量 I-V 曲线的方法。
循环伏安法图是研究电化学反应最普遍的电压的方法。在这方面，CV 也反映了电压扫描进行的速率。
电极 I-V 曲线的测量装置通常是三电极系统。电极放置在盐溶液(NaCl)和有一个铂对电极，以及一个参比电极。下图是用于生物刺激应用的铱氧化膜电极的 I-V 反应或循环伏安法图示例。

图3。放置在盐溶液中的氧化铱电极材料的 I-V 曲线(蓝曲线)。同时叠加的还有电容器和电阻器的 I-V 曲线响应。这表明材料表现出电荷存储(滞后)的电容性质

图3所示为氧化铱电极的循环伏安曲线。与电阻器不同的是，观察到氧化铱在盐溶液中的电极响应与电容器的性质有关，也就是说，它储存电荷。这种电荷储存特性，以及许多其他特性，是这种材料用于生物刺激的原因，即向生物组织注射电荷。

设备	需要电力？	I-V 法	常用作？	通过 Origin?
太阳能电池	没有	负载切换	小负荷电流源	是的
电池	没有	负载切换	大负荷电压源	是的
刺激电极	是的	电压扫描	像电容器一样，用于向组织中注入电荷	没有