氧化銅太陽能電池制作方法

【專家解說】：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(wǎng)、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(yīng)避免移動或觸碰） 4.調(diào)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(dāng)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(yīng)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(yīng)變變因:輸出電流的大小。 2. 實驗二：反應(yīng)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(yīng)物在液面下的面積（12.5cm2、6.25cm2）。 應(yīng)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(yīng)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?。?.1mm、0.05mm） 應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(rèn)為可能是銅綠所造成的。 (2) 實驗二：反應(yīng)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:12.5(cm2) 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:6.25(cm2) 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(dāng)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(dāng)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(rèn)為反應(yīng)物在液面 下面積越大所產(chǎn)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(dāng)較薄銅片反應(yīng)時,電池最大電流0.8(mA)；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25㎝2的銅片為電極的 電池，電流0.65mA。這項結(jié)果與討論（二）意義相同，而「太陽能電池需要大面積來產(chǎn)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0.1（mA）而以食鹽水為電解液的電池最大電流有0.55（mA），為什麼硫酸銅溶液最大電 流會那麼小？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(dǎo)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0.80（mA）；以鋁片為電 極的電池最大電流只有0.10(mA)。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(dāng)銅片燃燒時間三十分鐘，最大電流有 0.80mA?？梢娫谥谱餮趸~片時，雖然加熱愈久，產(chǎn)生的氧化銅愈多，但可能因溫度過高， 反而導(dǎo)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(shè)定在三十分鐘。 陸、結(jié)論 （一） 本實驗在日照下，由負極氧化銅片上的光電效應(yīng)所產(chǎn)生之電子，配合銅片作為正極以 及電解液（食鹽水）的導(dǎo)電，可對外輸出電流0.8mA（本次實驗的最大電流）。若在室內(nèi) 或陽光不充足的地方，本實驗裝置亦可產(chǎn)生約0.1mA的電流，不過此時的電流應(yīng)該是氧化 還原反應(yīng)所產(chǎn)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(dāng)?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?qū)嶒灥倪^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?qū)е聦嶒灝a(chǎn)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(shè)定時間長短與熱源 強度，增加實驗準(zhǔn)確度。 柒、參考文獻 1. 自然科學(xué)知識文庫 ，臺北市，北一出版，1978。 2. 科學(xué)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(xué)（第四冊），Harris Benson著，張潔儀、鄭宜男譯，臺北，狀元出版社，1992。