《功能材料综合实验》实验讲义 一、新能源材料实验 主要完成太阳能电池基本特性测试、锂离子电池电极材料性能测试、热电材料性能 测试3个实验，使学生对太阳能光伏材料、锂离子电池材料、热电材料等能源材料的基 本原理及性能表征有较为完整的认识，掌握能源材料相关的基本理论和实践技能。 实验1太阳能电池特性测定实验 一、实验目的 通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通 过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面了解。 二、实验内容 太阳能电池基本特性的测量，如开路电压、短路电流和填充因子等。 三、实验原理 太阳能电池在没有光照时其特 性可视为一个二极管，在没有光照时 ⊙电子 导带卫c 其正向偏压U与通过电流I的关系式 为： 光子入， 能膝 I=L。(eu-l) (1) 空穴☐ ,价带Ey (1)式中，1。和B是常数。 图1电子和空穴在电场的作用下产生光电流 由半导体理论，二极管主要是由能隙为E-E,的半导体构成，如图1所示。E为半 导体导电带，E为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收， 产生电子和空穴对。电子和空穴对会 Iph-Id R 分别受到二极管之内电场的影响而 产生光电流。 图2 太阳能
1 《功能材料综合实验》实验讲义 一、新能源材料实验 主要完成太阳能电池基本特性测试、锂离子电池电极材料性能测试、热电材料性能 测试 3 个实验，使学生对太阳能光伏材料、锂离子电池材料、热电材料等能源材料的基 本原理及性能表征有较为完整的认识，掌握能源材料相关的基本理论和实践技能。 实验 1 太阳能电池特性测定实验 一、实验目的 通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通 过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面了解。 二、实验内容 太阳能电池基本特性的测量，如开路电压、短路电流和填充因子等。 三、实验原理 太阳能电池在没有光照时其特 性可视为一个二极管，在没有光照时 其正向偏压U与通过电流 I的关系式 为： I I (e 1) U o (1) (1)式中， o I 和 是常数。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为 Ec-Ev的半导体构成，如图 1 所示。Ec为半 导体导电带，Ev为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收， 产生电子和空穴对。电子和空穴对会 分别受到二极管之内电场的影响而 产生光电流
假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个 理想二极管、一个并联电阻R与一个电阻Rs所组成，如图2所示。 图2中，l为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，a为光照时通过太阳能电 池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： R,+U-(Ih-14-)Rh=0 (2) (2)式中，1为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由(1)式可得， )la-Rale 0*R U (3) 假定R=∞和R,=0,太阳能电池可简化为图3 I=Iph-Id 所示电路。 Ia 这里，I=Ib-l4=Ib-lo(e0-1)。 D U 在短路时，U=0,1ph=1x: 而在开路时，I=0,L.-Lo(euc-)=0: 图3太阳能电池的简化电路图 (4) (4)式即为在R=0和R。=0的情况下，太阳能电池的开路电压Uc和短路电流 Isc的关系式。其中Uoc为开路电压，Isc为短路电流，而L。、阝是常数。 四、实验仪器 太阳能电池特性实验仪、附接线的盒装太阳能电池、数字万用表1只、电阻箱1只、 白炽灯光源1只（射灯结构，功率）、光功率计（带直流稳压电源）、导线若干、遮光 罩1个等 五、实验步骤 1.在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的~U特性， 用实验测得的正向偏压时~U关系数据，画出~U曲线并求得常数和0的值。 2.在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到 太阳能电池距离保持为20cm
2 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个 理想二极管、一个并联电阻 Rsh 与一个电阻 Rs 所组成，如图 2 所示。 图 2 中，Iph 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，Id 为光照时通过太阳能电 池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： IRs U (Iph Id I)Rsh 0 （2） （2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得， d sh ph sh s I R U ) I R R I(1 （3） 假定 Rsh 和 Rs 0 ，太阳能电池可简化为图 3 所示电路。 这里， I I I I I (e 1) U ph d ph 0 。 在短路时， U 0， ph sc I I ； 而在开路时， I 0，I I (e 1) 0 Uoc sc 0 ； 1] I I ln[ 1 U 0 sc OC （4） （4）式即为在 RSh 和 RS 0 的情况下，太阳能电池的开路电压 UOC 和短路电流 SC I 的关系式。其中 UOC 为开路电压， SC I 为短路电流，而 0 I 、 是常数。 四、实验仪器 太阳能电池特性实验仪、附接线的盒装太阳能电池、数字万用表 1 只、电阻箱 1 只、 白炽灯光源 1 只（射灯结构，功率 ）、光功率计（带 直流稳压电源）、导线若干、遮光 罩 1 个等。 五、实验步骤 1．在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的 I~U 特性， 用实验测得的正向偏压时 I~U 关系数据，画出 I~U 曲线并求得常数 和 I0 的值。 2．在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到 太阳能电池距离保持为 20cm
(1)画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出~U曲线图。 (3)用外推法求短路电流Isc和开路电压Uoc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻 (5)计算填充因子FF=Pm/(sc*Uoc)川。 3.测量太阳能电池的光照特性： 在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源20℃m水平距离光强作为标准光照强度， 用光功率计测量该处的光照强度J0:改变太阳能电池到光源的距离X,用光功率计测量 X处的光照强度」，求光强」与位置X的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度0 不同值时，相应的1sc和Uoc的值。 (1)描绘1sc和相对光强度J小0之间的关系曲线，求1sc和与相对光强JJ0之间近 似关系函数。 (2)描绘出Uoc和相对光强度J小0之间的关系曲线，求Uoc与相对光强度J小0之 间近似函数关系。 六、思考题 1、光照强度对太阳能电池特性有何影响？ 2、特性参数中哪个更能反映电池的性能？
3 （1）画出测量实验线路图。 （2）测量太阳能电池在不同负载电阻下，I 对 U 变化关系，画出 I~U 曲线图。 （3）用外推法求短路电流 Isc 和开路电压 Uoc。 （4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 （5）计算填充因子[FF=Pm/(Isc*Uoc)]。 3．测量太阳能电池的光照特性： 在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源 20cm 水平距离光强作为标准光照强度， 用光功率计测量该处的光照强度 J0；改变太阳能电池到光源的距离 X，用光功率计测量 X 处的光照强度 J，求光强 J 与位置 X 的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度 J/J0 不同值时，相应的 Isc 和 Uoc 的值。 （1）描绘 Isc 和相对光强度 J/J0 之间的关系曲线，求 Isc 和与相对光强 J/J0 之间近 似关系函数。 （2）描绘出 Uoc 和相对光强度 J/J0 之间的关系曲线，求 Uoc 与相对光强度 J/J0 之 间近似函数关系。 六、思考题 1、光照强度对太阳能电池特性有何影响？ 2、特性参数中哪个更能反映电池的性能？
实验2锂离子电池正极材料的制备以及电化学表征实验 一、实验目的 1.通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法。 2.通过测定磷酸铁锂的X邓D粉末衍射数据，掌握橄榄石型磷酸铁锂正极材料的结 构特征。 3。通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学表征方法。 二、实验内容 通过固相法合成磷酸铁锂正极材料，并制作成电极片，组装成纽扣电池测量其电化 学性能。 三、实验原理 锂离子电池充放电过程仅仅是通过正、负级材料的拓扑反应（如图1所示），即在 电池内部，充放电过程中电极材料仅发生锂离子的嵌入和脱出反应，并不产生新相，保 持自己原有的结构不变，当反应逆向进行时，又恢复原状，因此也称为“摇椅式电池”。 图10 以磷酸铁锂为例，充电时，L从正极材料中迁移出来，经过电解质进入负极，下2” 被氧化成为®”，电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到达负极。放电过程 进行还原反应，与上述过程相反，如下所示： 充电：LiFePO,-i-e→fePO,+(I-r)LiFeP0, 放电：fePO,+i+Xe一.iFePO.+(I-x/FePO, 1997年开始引人关注的磷酸铁锂材料，因其无毒、对环境友好、原材料来源丰富、 比容量高、循环性能好，被认为可能成为锂电池的理想材料，LiFePO,在自然界中以磷
4 实验 2 锂离子电池正极材料的制备以及电化学表征实验 一、实验目的 1. 通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法。 2. 通过测定磷酸铁锂的 XRD 粉末衍射数据，掌握橄榄石型磷酸铁锂正极材料的结 构特征。 3. 通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学表征方法。 二、实验内容 通过固相法合成磷酸铁锂正极材料，并制作成电极片，组装成纽扣电池测量其电化 学性能。 三、实验原理 锂离子电池充放电过程仅仅是通过正、负级材料的拓扑反应（如图 1 所示），即在 电池内部，充放电过程中电极材料仅发生锂离子的嵌入和脱出反应，并不产生新相，保 持自己原有的结构不变，当反应逆向进行时，又恢复原状，因此也称为“摇椅式电池”。 图 1 [1] 以磷酸铁锂为例，充电时，Li+从正极材料中迁移出来，经过电解质进入负极，Fe2+ 被氧化成为Fe3+，电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到达负极。放电过程 进行还原反应，与上述过程相反，如下所示： 充电：LiFePO4 - xLi+ - xe - → xFePO4 + (1-x)LiFePO4 放电：xFePO4 + xLi+ + xe - → xLiFePO4 + (1-x)FePO4 1997年开始引人关注的磷酸铁锂材料，因其无毒、对环境友好、原材料来源丰富、 比容量高、循环性能好，被认为可能成为锂电池的理想材料，LiFePO4 在自然界中以磷
铁锂矿的形式存在，通常与LiMnPO,伴生属橄榄石型结构。其空间群为Pmmb,每个晶胞 有4个LiFeP0(,单元。其晶胞参数为a=0.6008m,b=1.0324m和c=0.4694nm。图 2为LiFeP0(,的立体结构示意图。 Feo6层 图2 晶格中有3个非等价的0，整个晶体可以看成是变形八面体Li0,和Fe0,与四面体P0,相 互连接。1个八面体分别与1个P0四面体和2个Li0,八面体共用棱：2个P0,四面体还与2个 Li0八面体共用棱。交替排列的FeOs八面体、Li0s八面体与P0,四面体形成层状脚手架结 构。每个P0,四面体与一个Fe0八面体共用棱上的两个氧原子，同时又与两个Li0八面体 共用棱上的氧原子。这种共用顶点及共用棱的结构便为锂离子的脱出和嵌入提供了理论 基础。从结构上看，PO,四面体位于Fe0层之间，这在一定程度上阻碍了Li的扩散运动。 同时，相邻的F0。八面体通过共顶点连接，具有相对较低的电子传导率。因此，这种结 构决定了LiFePO,只适合于在小电流密度下充放电。纯相的LiFeP0,理论比容量为 170mAh/g,实际比容量可到160mAh/g,这制约了其在工业上的应用，为了提高其电化学 性能，表面包覆导电材料和掺杂金属离子是改善材料电导率的主要方法，目前的研究主 要是碳（纳米碳膜）包覆和离子掺杂等手段，表面包覆一方面可增强粒子间的导电性， 减少电池的极化：另一方面它还能为LiFePO.4提供电子隧道，以补偿L广脱嵌过程中的电 荷平衡。掺杂金属离子是一种通过制造材料晶格缺陷从而有效地调节材料电化学性能的 途径，掺杂改性效果表明：一方面可以使材料的电子导电性得到明显地提高，同时由于
5 铁锂矿的形式存在，通常与LiMnPO4 伴生属橄榄石型结构。其空间群为Pnmb，每个晶胞 有4个LiFePO4单元。其晶胞参数为a = 0.6008 nm，b = 1.0324 nm和 c = 0.4694nm。图 2为LiFePO4的立体结构示意图。 图2 晶格中有3个非等价的O,整个晶体可以看成是变形八面体LiO6和FeO6与四面体PO4相 互连接。1个八面体分别与1个PO4四面体和2个LiO6八面体共用棱；2个PO4四面体还与2个 LiO6八面体共用棱。交替排列的FeO6八面体、LiO6八面体与PO4四面体形成层状脚手架结 构 。每个PO4四面体与一个FeO6八面体共用棱上的两个氧原子，同时又与两个LiO6八面体 共用棱上的氧原子。这种共用顶点及共用棱的结构便为锂离子的脱出和嵌入提供了理论 基础。从结构上看，PO4四面体位于FeO6层之间，这在一定程度上阻碍了Li+的扩散运动。 同时，相邻的FeO6八面体通过共顶点连接，具有相对较低的电子传导率。因此，这种结 构决定了LiFePO4只适合于在小电流密度下充放电。纯相的LiFePO4理论比容量为 170mAh/g，实际比容量可到160mAh/g，这制约了其在工业上的应用，为了提高其电化学 性能，表面包覆导电材料和掺杂金属离子是改善材料电导率的主要方法，目前的研究主 要是碳（纳米碳膜）包覆和离子掺杂等手段，表面包覆一方面可增强粒子间的导电性， 减少电池的极化；另一方面它还能为LiFePO4提供电子隧道，以补偿Li+脱嵌过程中的电 荷平衡。掺杂金属离子是一种通过制造材料晶格缺陷从而有效地调节材料电化学性能的 途径，掺杂改性效果表明：一方面可以使材料的电子导电性得到明显地提高，同时由于