6.4 半导体与光伏发电（举一反三·讲义）物理新教材教科版九年级上册

6.4 跨学科实践：半导体与光伏发电 模块一 知识框架 模块二 知识精讲 情景导入 荒漠中，野岭上，蓝天下，一排排光伏电池板倒映着碧蓝的天空和洁白的云朵，不时有飞鸟的身影划过，安静、美丽、壮观。清洁能源正悄悄走进千家万户……展示青海塔拉滩“光伏治沙”、戈壁滩光伏阵列等图片，提问：这些蓝色的"玻璃板"是什么？它们把什么能变成了什么能？太阳光究竟是怎样变成电流的？背后离不开哪种神奇的材料？ 【知识点1 认识半导体 】知识归纳 1．定义：半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的一些材料，如锗、硅、砷化镓等。 2．特性：温度、光照、 杂质 等外界因素对半导体的导电性能有很大影响。 3．常见半导体——发光二极管 （1）实物与电路图符号： （2）结构：长脚为正极，短脚为负极。 （3）特性：具有单向导电性——电流从正极经过二极管流向负极时，二极管发光，表明它处于导通状态。 ——当电流从负极经过二极管流向正极时，二极管不发光，表明它处于断路状态。 【例1】如图所示，闭合开关，发光二极管和小灯泡都会发光。下列说法错误的是（     ） A．发光二极管和小灯泡的连接方式是串联 B．若将发光二极管的两极对调，则发光二极管不发光，灯泡变亮 C．若将一根导线并联在小灯泡两端，则小灯泡不会发光，但发光二极管依然发光 D．在电源外部，电流的方向是从电源的正极流向电源的负极 【答案】B 【详解】A．由图可知电流只有一条路径，依次经过开关、发光二极管和小灯泡，因此二者是串联连接，故A正确； B．发光二极管具有单向导电性，两极对调后，电路相当于断路，整个电路没有电流，发光二极管不发光，小灯泡也不会有电流通过，不可能变亮，故B错误； C．将导线并联在小灯泡两端时，小灯泡被短路，无电流通过所以不发光；此时电路通路且电流方向仍符合发光二极管的导通要求，因此发光二极管依然发光，故C正确； D．在电源外部，电流的方向是从电源正极出发，经过用电器，最终流向电源负极，故D正确。 本题选择错误的，故选 B。 【变式1-1】随着现代科技的发展，国内各大手机厂商都制造出了折叠屏手机，在技术和功能上都实现了前所未有的突破，手机的折叠屏主要由柔性发光二极管制成，其中制成发光二极管核心的材料主要是（　　） A．超导体材料 B．导体材料 C．半导体材料 D．绝缘体材料 【答案】C 【详解】发光二极管的核心制作材料是半导体，半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，具有适合制作二极管的特殊电学特性。故选C。 【变式1-2】知名摄影师凯莱布查兰最擅长的就是将看不见的科学原理变成艺术，他的作品《回归灯光》系列，使用水果和蔬菜为LED灯供电，让人惊叹不已。下列有关说法错误的是（     ） A．水果和蔬菜扮演了“电源”的角色 B．发光二极管具有单向导电性 C．灯光亮起时电路处于通路状态 D．LED灯在发光时，导线中的自由电子在做无规则运动 【答案】D 【详解】A．水果和蔬菜为LED灯供电，提供电能，扮演了电源的角色，故A正确； B．发光二极管是由半导体材料制成的，具有单向导电性，故B正确； C．灯光亮起时，电路中有电流通过，处于通路状态，故C正确； D．LED灯发光时，电路中有电流，导线中的自由电子在做定向移动，故D错误。 题目要求选择错误的，故选D。 【知识点2 半导体的应用】 1．电子器件：集成电路、芯片、计算机与手机核心元件。芯片是在一块半导体上集成二极管、三极管和其他电子元件而制成的电路。 2．光电器件：半导体有特殊的光电特性，能在一定条件下释放光能，制成了LED光源、太阳能电池、激光二极管等。 3．传感器：半导体材料的导电性能受温度、光照、压力等因素影响而显著变化，制成了热敏、光敏、力敏电阻，应用领域：环境监测、汽车电子、医疗设备等。 【例2】阅读短文，回答问题。 第四代电光源——LED光源 近年来，国家大力提倡使用LED灯，它的主要部分是高亮度白色发光二极管，这种发光二极管主要由硅、砷等半导体材料制成，具有光效高、耗电少，寿命长、易控制、免维护、安全环保等优点，是继白炽灯、卤素灯和节能荧光灯后新兴的第四代电光源．LED灯是新一代固体冷光源，可以直接把电能转换成光能，因而其发光效率较高。利用图甲所示电路可以研究发光二极管的工作特性：把一个额定（正常发光）电压为的LED接入电源电压恒为的电路，闭合开关，LED即处于导通状态，调节变阻器滑片，改变LED两端的电压和电路中电流，记录多组电压、电流数据，可以得到电压表与电流表示数关系，如图乙所示图像，然后断开开关，改变电源正负极再闭合开关，LED处于断电状态． （1）LED灯主要由_____（选填“导体”“半导体”或“超导体”）材料制成；它之所以节能，被称为冷光源，是因为电热转换损耗的能量较白炽灯_____（选填“高”或“低”）； （2）在图甲中，闭合S，调节滑动变阻器，使正常发光；断开S，改变电源的正负极后再闭合S，LED_____（选填“能”或“不能”）发光；此时两电表的示数为（    ） A．4.5V 20mA B．3V 20mA C．4.5V  0mA D．3V  20 mA （3）如图丙电路，同时闭合将发生_____，若闭合开关_____可以使绿光LED发光。 【答案】（1）半导体 低 （2）不能 C （3）短路 、S4 【详解】（1）从短文中可以直接提取信息：发光二极管主要由硅、砷等半导体材料制成。 LED属于冷光源，绝大多数电能直接转化为光能，电热转换损耗的能量远低于依靠灯丝发热发光的白炽灯，因此电热转换损耗的能量更低。 （2）二极管具有单向导电性，仅允许电流从正极（长脚）通过，短文明确说明电源反接后LED处于断电状态，因此改变电源正负极后闭合开关，LED不能发光。 此时反向接入的LED相当于开路，电路中电流为0，电流表示数为0mA；电压表通过滑动变阻器、电流表直接接在电源两端，测量电源电压，示数为4.5V。 故选项C。 （3）在图丙中同时闭合S1、S3，电源正负极会被导线直接连通，发生电源短路。要让绿光LED发光，需要让电流正向通过绿光LED，即电流从绿光LED的正极流入、负极流出，形成完整通路，因此需要闭合开关 S1​、S4​。 【变式2-1】城市路口使用“按钮式红绿灯”，当路上车辆不多时，行人按下按钮，使机动车道的红灯亮起，行人安全通过，红、绿灯都用发光二极管制成，发光二极管具有__________（选填“单向”或“双向”）导电性，二极管是由__________（选填“超导体”或“半导体”）材料制成，按钮相当于电路中的__________（选填“电源”或“开关”）。 【答案】单向 半导体 开关 【详解】二极管是由半导体材料制成，常见的制作材料有硅、锗等半导体物质，具有单向导电性； 行人按下按钮可控制红灯的亮灭，该按钮相当于电路中的开关，起到控制电路通断的作用。 【变式2-2】阅读下列材料，回答问题。 发热材料PTC是一种新型的半导体陶瓷材料，它以钛酸钡为主，渗入多种物质加工而成，目前家用的陶瓷电热水壶、陶瓷暖风器就是用PTC材料做成的。它有一个根据需要设定的温度，称为“居里点温度”，低于这个温度时，其电阻值随温度的升高而减小；高于这个温度时，电阻值随温度的升高而增大。用PTC材料制成的电热器具有发热、控温双重功能，应用十分广泛。图甲是家用电灭蚊器，它的发热部分就使用了PTC发热材料，其电阻值随温度变化的规律如图乙所示，电灭蚊器工作时通过发热体将电蚊香液加热并挥发出去达到灭蚊效果。 （1）由图乙可知，该PTC材料的“居里点温度”为______，此时PTC材料的电阻______（选填“最大”或“最小”）； （2）当发热体的温度高于并继续上升时，电灭蚊器消耗的电功率会______（选填“增大”、“减小”或“不变”）； （3）请再写出一个应用PTC材料在日常生活、生产中的应用：______（合理即可）。 【答案】（1）30 最小 （2）减小 （3）空调的自动控温装置 【详解】（1）根据阅读材料，“居里点温度”左侧阻值随着温度升高而降低，右侧随着温度升高而升高，即该点应为图像中电阻最低的点为居里点温度为30℃，此时阻值最小。 （2）在60℃以上时，PTC阻值随着温度的升高而变大。再根据可知，电压一定时，阻值变大，元件的功率减小。 （3）与温控有关的装置可以用到PTC，比如空调的自动控温装置，可以在高温或者低温感应到阻值较大，此时启动电机，达到屋内温度恒定的效果。 【知识点3 设计校园光伏发电项目方案】 1．光伏发电的原理：利用半导体太阳能电池板将光能直接转变为电能。 2．能量转化：太阳能转化为电能，不经中间环节。 3．光伏发电的核心元件：太阳能电池板 4．影响输出功率的因素：光照强度、温度、阴影遮挡、电池板清洁度等。 5．应用实例：家庭屋顶光伏电站、光伏路灯、大型地面光伏电站、光伏交通、太阳能汽车等。 【例3】光伏发电产业是我国低碳经济的亮点之一，作为清洁能源转型的核心技术，太阳能电池板将太阳能直接转化为电能，大幅降低了碳排放。如图所示为太阳能电池板发电原理及系统示意图。 （1）光伏电池板中由纯硅掺杂形成的N型硅和P型硅，均属于________。 A．导体 B.半导体 C.绝缘体 D.超导体 （2）电池板的外壳材料选择有较高的要求，下列性质不是外壳材料所具备的是________（填字母）。 A．良好的导热性 B.良好的透光性 C.良好的导电性 D.良好的耐磨性 （3）小新通过调查发现若学校房顶的太阳能电池板面积为，在阳光的照射下，它们转化电能的能力为，某日阳光的有效照射时间为2h。学校的30间教室里，每间教室分别有15盏40W新型护眼照明灯，一台300W的大屏幕，其他电器设备总功率100W。当日通过太阳能电池板获取的电能若全用于这些教室，则可维持这些教室里的电器持续工作________h。 （4）请你帮助小新写出提高光伏发电效率的一个建议：________。（作答不超过20个汉字） 【答案】（1）B （2）C （3）8 （4）移除任何遮挡光伏板的物体 【详解】（1）硅是典型的半导体材料，掺杂形成的N型硅和P型硅仍属于半导体。 故选B。 （2）A。电池板工作时发热，良好导热性可帮助散热，是外壳材料具备的性质，故A不符合题意； B．太阳光需透过外壳照射到内部发电结构，良好透光性是外壳材料具备的性质，故B不符合题意； C．外壳主要起保护作用，不需要良好的导电性，故C符合题意； D．电池板在户外使用，良好耐磨性可延长使用寿命，是外壳材料具备的性质，故D不符合题意。 故选C。 （3）太阳能电池板的发电总功率为 太阳能电池板产生的总电能为 单间教室的总功率为 30间教室的总功率为 电器可持续工作的时间为 （4）移除任何遮挡光伏板的物体、让光伏板正对太阳、及时清除表面灰尘积雪等。 【变式3-1】据统计，我省光伏发电输出创历史新高，光伏发电的核心部件是光电板。光电板吸收太阳能的多少是技术关键，它与什么因素有关？小明猜想光电板吸收太阳能的多少可能与光电板的面积、光照时间、光电板的颜色有关。根据以上猜想，小明设计实验方案，进行了实验探究，实验数据记录如表所示： 序号 光电板的面积（m2） 光照时间（min） 光电板表面所涂颜色 LED灯发光时间（min） 1 0.1 10 黑色 30 2 0.1 20 黑色 60 3 0.3 10 黑色 90 4 0.1 10 白色 5 （1）该实验中光电板吸收太阳能的多少是通过___________反映。 （2）由表中1、3两组数据，可初步得到的结论是___________。由表中数据分析可知，制作太阳能光电板用____________色较好。 （3）在安装光伏板时，需综合考虑地理位置、季节及光伏板类型等多重因素。季节变化亦需考虑，夏季可适当增大角度避免过热，冬季则可减小角度以充分吸收阳光。根据以上信息，请你提出一个可探究的科学问题：_____________。 【答案】（1）LED灯的发光时间 （2）当光照时间、光电板的颜色相同时，光电板面积越大，光电板吸收的太阳能越多 黑 （3）光电板吸收太阳能的多少与光电板的倾斜角度是否有关 【详解】（1）实验中光电板吸收的太阳能无法直接测量，光电板吸收的太阳能越多，能够供给LED灯工作的时间就越长，因此可以通过LED灯的发光时间来间接反映光电板吸收太阳能的多少，这是转换法的实验思想。 （2）对比1、3两组数据，两组的光照时间均为10min、光电板表面涂的颜色都是黑色，只有光电板的面积不同，面积更大的第3组对应的LED灯发光时间更长，说明吸收的太阳能更多，因此可以得出结论：在光照时间相同、光电板的颜色相同时，光电板的面积越大，光电板吸收的太阳能越多。 对比1、4两组数据，光电板面积、光照时间都相同，黑色光电板对应的LED灯发光时间远长于白色光电板，说明黑色光电板吸收太阳能的能力更强，因此制作太阳能光电板用黑色较好。 （3）题干给出了光伏板安装角度随季节调整、不同角度会影响阳光吸收的信息，可以据此提出可探究的科学问题，例如：光电板吸收太阳能的多少与光电板的倾斜角度是否有关？ 【变式3-2】请阅读《光伏发电》并回答下列小题。 光伏发电 光伏发电是利用半导体界面的“光生伏特效应”而将光能直接转变为电能的一种技术。 “光生伏特效应”简称“光伏效应”，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差（电压）的现象。如图甲所示，太阳能电池内部的P型硅和N型硅结合在一起，它们的交界面附近的区域形成PN结，当适当频率的光照射PN结时，由于内建电场的作用，受激电子和空穴各自向相反的方向运动，电子收集到上电极，空穴收集到下电极，产生电动势，称为光生电压。这种由PN结的内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。 图乙所示为某光伏发电系统结构图，该系统主要由经过串联后进行封装保护而形成大面积的太阳能电池组件、控制器和逆变器等部分组成。太阳能电池组件将太阳能转化为电能。当太阳能充足、发电量超过用户需求时，将发出的多余电能通过控制器存储在蓄电池中；当光照较差、发电量不能满足用户需求时，控制器释放蓄电池中存储的电能供用户使用。 与常用的火力发电系统相比，光伏发电具有：无枯竭危险；安全可靠，无噪声，无污染排放；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电等众多优点，它是各国争相发展的一种发电方式。我国在光伏产业的各个领域都具备明显领先优势，发展空间十分广阔。 请根据上述材料，回答下列问题： （1）太阳能电池板的下电极相当于电源的______极；（选填“正”或“负”） （2）当光照较差、用户处于用电高峰时，光伏发电系统中的蓄电池应处于______状态；（选填“充电”或“放电”） （3）根据光伏发电系统结构图，你猜想逆变器的主要作用是______； （4）如果请你为一个家庭安装太阳能电池板，假设这个家庭的平均日用电量是10kWh，家庭所在地的平均日照时间是5h，太阳能电池板每平方米的平均输出功率为50W，为了满足这个家庭的用电需求，则需要安装的太阳能电池板的面积为______m2。 【答案】（1）正 （2）放电 （3）将直流电转换为交流电 （4）40 【详解】（1）当适当频率的光照射PN结时，由于内建电场的作用，受激电子和空穴各自向相反的方向运动，电子收集到上电极，上电极聚集负电荷，相当于电源的负极；空穴收集到下电极，下电极相当于电源的正极。 （2）当光照较差、发电量不能满足用户需求时，控制器释放蓄电池中存储的电能供用户使用。由文中内容可知，当光照较差、用户处于用电高峰时，发电量不能满足用户需求，控制器释放蓄电池中存储的电能供用户使用，光伏发电系统中的蓄电池应处于放电状态。 （3）根据光伏发电系统结构图可知，直流电通过逆变器后变为交流电，所以逆变器的作用是将直流电转换为交流电。 （4）太阳能电池板每平方米5h获得的电能为 为了满足这个家庭的用电需求，则需要安装的太阳能电池板的面积为 模块三 课后作业 一、选择题 1．我国自主研发的IGBT芯片（如图所示）是高铁强劲有力的心脏，这一重大突破使得我国一举打破了高端IGBT芯片长期受制于人的局面。制造芯片的硅材料是（　　） A．导体 B．绝缘体 C．半导体 D．超导体 【答案】C 【详解】硅材料的导电性能介于导体与绝缘体之间，是半导体，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 2．如图所示的智能手表可以显示时间、体温、心率等信息，方便人们监测身体状态，下列关于智能手表说法错误的是（　　） A．橡胶表带是绝缘体 B．铜的导电性优于铁，所以铜更适合做内部的导线 C．手表屏幕使用的发光二极管主要由半导体材料制成 D．手表里的芯片采用超导粉末冶金技术，超导材料制成的元件电阻很大 【答案】D 【详解】A．橡胶表带不易导电，属于绝缘体，故A正确，不符合题意； B．铜的导电性能优于铁，且常用作电路导线，故B正确，不符合题意； C．半导体材料是指介于导体和绝缘体之间的一类材料，具有电导率和导电性变化范围较大的特点，发光二极管（LED）是典型半导体器件，故C正确，不符合题意； D．超导材料在足够低温时电阻极小或近似为0，故D错误，符合题意。 故选D。 3．如图所示的一种太阳能背包，包的前面有一个太阳能电池板，它可以给包里的蓄电池充电，蓄电池又可以给手机、小风扇等充电。下列说法错误的是（   ） A．太阳能电池板可以将太阳能转化为电能 B．太阳能电池扳给蓄电池充电时，将电能转化为化学能 C．蓄电池给手机充电时，将内能转化为电能 D．小风扇工作时，将电能转化为机械能 【答案】C 【详解】A．太阳能电池板可以发电，将太阳能转化为电能，故A正确，不符合题意； B．太阳能电池扳给蓄电池充电时，电能转化为电池的化学能储存起来，故B正确，不符合题意； C．蓄电池给手机充电时，将化学能转化为电能，故C错误，符合题意； D．小风扇工作时，电机带动扇叶旋转，将电能转化为机械能，故D正确，不符合题意。 故选C。 4．我国天宫空间站使用4对柔性三结砷化镓太阳能电池板来发电，它的技术非常先进，光电转换效率超30％。下列说法正确的是（　　） A．太阳能电池板所用材料三结砷化镓是超导体 B．太阳能电池板面积越大，发电效率越高 C．太阳能电池板工作的效率超30％，表明太阳能电池板把至少30％的太阳能转化为化学能 D．太阳能电池板工作的效率超30％，表明太阳能电池板把至少30％的太阳能转化为电能 【答案】D 【详解】A．太阳能电池板所用材料三结砷化镓是半导体，故A错误； B．太阳能电池板的光电转换效率超30％，与电池板的面积无关，太阳能电池板面积越大，发电功率越大，故B错误； CD．太阳能电池板把光能转化成电能，以化学能的形式储存在电池中；太阳能电池板光电转换效率超30%，表明太阳能电池板能把至少30%的太阳能转化为电能，故C错误，D正确。 故选D。 5．人类已经进入了电气化时代，生产生活离不开各种材料。下列说法中正确的是（　　） A．导体容易导电是因为内部的电荷都能自由移动 B．LED灯是由超导体材料制作的，具有单向导电性 C．导体和绝缘体之间有明显界限，它们不可以相互转化 D．绝缘体不容易导电是因为内部几乎没有可以自由移动的电荷 【答案】D 【详解】A．导体容易导电是因为内部有能自由移动的电荷，故A错误； B．LED灯是发光二极管，是由半导体材料制成的，LED灯具有单向导电性，故B错误； C．导体和绝缘体之间没有明显界限，绝缘体在一定范围内，可以变为导体，故C错误； D．因为绝缘体内部几乎没有可以自由移动的电荷，所以绝缘体不容易导电，故D正确。 故选D。 6．（多选）如图甲所示，某公园安装了一种智能路灯，它能够根据环境光照强度（简称：照度，单位：lx）和行人活动情况自动调节亮度。智能路灯上装有一个光敏电阻（阻值随照度的变化情况如图乙所示）和一个红外传感器（用于检测行人）。已知：路灯的亮度自动调节范围在20%（照度：100lx）至100%（照度：500lx）之间，且当环境照度低于30lx时，路灯会自动开启；当环境照度高于70lx时，路灯会自动关闭。此外，当红外传感器检测到行人时，路灯的亮度会在当前基础上增加20%，以提供更好的照明效果。以下说法正确的是（  ） A．某晴天从期间，光敏电阻阻值逐渐减小 B．若光照强度为某一特定值，且有行人通过时，路灯亮度可能为最大亮度的 C．若路灯当前亮度为，有行人通过时，路灯亮度变为最大亮度的 D．一般来说，光敏电阻会安装在智能路灯的灯泡照射范围以外 【答案】ACD 【详解】A．晴天从期间，光照强度逐渐变强，根据图像知，光敏电阻阻值逐渐减小，故A正确； B．路灯的亮度自动调节范围在20%（照度：100lx）至100%（照度：500lx）之间，最小是，当红外传感器检测到行人时，路灯的亮度会在当前基础上增加，即此时至少，故B错误； C．若路灯当前亮度为，有行人通过时，路灯的亮度会在当前基础上增加，路灯亮度变为最大亮度的，故C正确； D．光敏电阻会安装在智能路灯的灯泡照射范围以内时，路灯亮了，光照强了，可能会自动关闭，故不能正常照明，因而安装在路灯的灯泡照射范围以外，故D正确。 故选ACD。 二、填空题 7．如图是我国塔拉滩光伏发电园区，它是全球装机容量最大的太阳能发电基地。太阳能电池板的制作原料是硅，导电性能介于导体与绝缘体之间，它是________材料，太阳能电池板工作时将太阳能转化为________能。 【答案】 半导体 电 【详解】硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，属于半导体。 太阳能电池板工作时，消耗太阳能，产生电能，将太阳能转化为电能。 8．我国目前能自主生产的手机CPU芯片采用7nm制程工艺，其中最小晶体管的栅极长度为7nm，等于______m。制成CPU芯片的材料硅（元素符号Si）是一种________体材料。CPU芯片表面覆盖着散热片，这是用__________的方式降低芯片的内能。 【答案】7×10-9 半导 热传递 【详解】最小晶体管的栅极长度为7nm，因为1nm=10-9m，所以，。 制成CPU芯片的材料硅是一种半导体材料，导电性能介于导体和绝缘体之间。 CPU芯片表面覆盖着散热片，散热片从芯片吸收热量并向空气中放热，这是用热传递的方式改变内能。 9．在国家“光伏扶贫”项目中，小明家安装了太阳能发电系统，白天太阳能电池板发电，向电网提供电能，太阳能属于______________（选填“可再生”或“不可再生”）能源；中午时段，太阳能电池板的输出电压为500 V，输出电流为20 A，10 h可以为电网提供电能___________kW· h；这些电能可供额定功率为2000 W的热水器正常工作____________h。 【答案】可再生 100 50 【详解】太阳能可以源源不断地从自然界得到，是可再生能源。 为电网提供的电能 这些电能可供热水器正常工作的时间 三、实验题 10．爱动脑的小明猜想光电板吸收太阳能的多少，可能与光照时间有关。为了验证猜想，他借来三个相同的光电板并分别接在相同的放完电的蓄电池上，然后将这些光电板从当天上午十点开始，正对太阳光照射不同的时间，再分别让这些蓄电池为相同的小灯泡供电，直到小灯泡熄灭，记录小灯泡的发光时间。 （1）白天太阳能电池板发电，向电网提供电能，此过程中太阳能转化为__________能； （2）实验时是通过比较__________来比较光电板吸收太阳能的多少的，这种方法叫做__________法； （3）为了方便记录与分析数据，请你帮小明在图乙的虚线框内设计出符合题意的表格________； （4）中午时段，太阳能电池板的输出电压为500V，输出电流为20A，2h可以为电网提供电能__________kW·h； （5）根据生活经验，请你猜想，光电板吸收太阳能多少还可能与__________有关。 【答案】（1）电 （2）小灯泡发光时间 转换法 （3） 数据序号 1 2 3 光照时间/min 小灯泡的发光时间/min （4）20 （5）还可能与光照强度、光照角度、光电板的材料等因素有关。 【详解】（1）白天太阳能电池板发电，向电网提供电能，消耗太阳能，产生电能，将太阳能转化为电能。 （2）光电板吸收太阳能越多，小灯泡的发光时间越长，所以光电板吸收太阳能的多少是通过小灯泡灯发光时间反映的，用到转换法。 （3）要验证光电板吸收太阳能的多少与光照时间的关系，需要控制其他条件相同，改变光照时间，实验中通过小灯泡灯发光时间来反映光电板吸收太阳能的多少，所以需要观察小灯泡的发光时间，所以表格中应该有光照时间/min、小灯泡的发光时间/min，见下表： 数据序号 1 2 3 光照时间/min 小灯泡的发光时间/min （4）提供电能W=UIt=500V×20A×2×3600s=7.2×107J=20kW·h （5）光电板吸收太阳能多少还可能与光照强度、光照角度、光电板的材料等因素有关。 四、综合题 11．如图甲所示的光敏电阻，其阻值R随光强E[光强是表示光的强弱程度的物理量，照射光越强，光强越大。光强用符号E表示，国际单位为坎德拉（）]的变化关系如图乙所示。把它接在图丙所示的电路中，其中R是光敏电阻，是定值电阻。 （1）光敏电阻主要是由________（选填“超导体”“导体”“半导体”或“绝缘体”）材料制作而成的。 （2）由乙图可知：当光强增大时，光敏电阻的阻值________（选填“增大”“不变”或“减小”）。 （3）在丙图中，当光强为时，闭合开关后，电流表的示数为0.1A，电压表的示数为2V，则定值电阻的阻值为________Ω；当光强增大到时，电压表的示数________（选填“变大”“不变”或“变小”）。 【答案】（1）半导体 （2）减小 （3）20 变大 【详解】（1）光敏电阻主要是由半导体材料制作而成的。半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质，使得光敏电阻能够根据光照强度的变化而改变其阻值。 （2）从图乙可以看出，光敏电阻的阻值随光强的增大而减小。 （3）根据欧姆定律，定值电阻的阻值为 当光强增大到时，由于光敏电阻的阻值会减小，根据串联电路的分压原理，光敏电阻两端的电压会减小，而定值电阻两端的电压（即电压表的示数）会变大。 第 12 页 共 12 页 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 6.4 跨学科实践：半导体与光伏发电 模块一 知识框架 模块二 知识精讲 情景导入 荒漠中，野岭上，蓝天下，一排排光伏电池板倒映着碧蓝的天空和洁白的云朵，不时有飞鸟的身影划过，安静、美丽、壮观。清洁能源正悄悄走进千家万户……展示青海塔拉滩“光伏治沙”、戈壁滩光伏阵列等图片，提问：这些蓝色的"玻璃板"是什么？它们把什么能变成了什么能？太阳光究竟是怎样变成电流的？背后离不开哪种神奇的材料？ 【知识点1 认识半导体 】知识归纳 1．定义：半导体是导电性能 的一些材料，如锗、硅、砷化镓等。 2．特性：温度、光照、 等外界因素对半导体的导电性能有很大影响。 3．常见半导体——发光二极管 （1）实物与电路图符号： （2）结构：长脚为 ，短脚为 。 （3）特性：具有单向导电性——电流从正极经过二极管流向负极时，二极管 ，表明它处于 状态。 ——当电流从负极经过二极管流向正极时，二极管 ，表明它处于 状态。 【例1】如图所示，闭合开关，发光二极管和小灯泡都会发光。下列说法错误的是（     ） A．发光二极管和小灯泡的连接方式是串联 B．若将发光二极管的两极对调，则发光二极管不发光，灯泡变亮 C．若将一根导线并联在小灯泡两端，则小灯泡不会发光，但发光二极管依然发光 D．在电源外部，电流的方向是从电源的正极流向电源的负极 【变式1-1】随着现代科技的发展，国内各大手机厂商都制造出了折叠屏手机，在技术和功能上都实现了前所未有的突破，手机的折叠屏主要由柔性发光二极管制成，其中制成发光二极管核心的材料主要是（　　） A．超导体材料 B．导体材料 C．半导体材料 D．绝缘体材料 【变式1-2】知名摄影师凯莱布查兰最擅长的就是将看不见的科学原理变成艺术，他的作品《回归灯光》系列，使用水果和蔬菜为LED灯供电，让人惊叹不已。下列有关说法错误的是（     ） A．水果和蔬菜扮演了“电源”的角色 B．发光二极管具有单向导电性 C．灯光亮起时电路处于通路状态 D．LED灯在发光时，导线中的自由电子在做无规则运动 【知识点2 半导体的应用】 1．电子器件：集成电路、芯片、计算机与手机核心元件。芯片是在一块半导体上集成二极管、三极管和其他电子元件而制成的 。 2．光电器件：半导体有特殊的光电特性，能在一定条件下释放 能，制成了LED光源、太阳能电池、激光二极管等。 3．传感器：半导体材料的导电性能受温度、光照、压力等因素影响而显著变化，制成了热敏、光敏、力敏 ，应用领域：环境监测、汽车电子、医疗设备等。 【例2】阅读短文，回答问题。 第四代电光源——LED光源 近年来，国家大力提倡使用LED灯，它的主要部分是高亮度白色发光二极管，这种发光二极管主要由硅、砷等半导体材料制成，具有光效高、耗电少，寿命长、易控制、免维护、安全环保等优点，是继白炽灯、卤素灯和节能荧光灯后新兴的第四代电光源．LED灯是新一代固体冷光源，可以直接把电能转换成光能，因而其发光效率较高。利用图甲所示电路可以研究发光二极管的工作特性：把一个额定（正常发光）电压为的LED接入电源电压恒为的电路，闭合开关，LED即处于导通状态，调节变阻器滑片，改变LED两端的电压和电路中电流，记录多组电压、电流数据，可以得到电压表与电流表示数关系，如图乙所示图像，然后断开开关，改变电源正负极再闭合开关，LED处于断电状态． （1）LED灯主要由_____（选填“导体”“半导体”或“超导体”）材料制成；它之所以节能，被称为冷光源，是因为电热转换损耗的能量较白炽灯_____（选填“高”或“低”）； （2）在图甲中，闭合S，调节滑动变阻器，使正常发光；断开S，改变电源的正负极后再闭合S，LED_____（选填“能”或“不能”）发光；此时两电表的示数为（    ） A．4.5V 20mA B．3V 20mA C．4.5V  0mA D．3V  20 mA （3）如图丙电路，同时闭合将发生_____，若闭合开关_____可以使绿光LED发光。 【变式2-1】城市路口使用“按钮式红绿灯”，当路上车辆不多时，行人按下按钮，使机动车道的红灯亮起，行人安全通过，红、绿灯都用发光二极管制成，发光二极管具有__________（选填“单向”或“双向”）导电性，二极管是由__________（选填“超导体”或“半导体”）材料制成，按钮相当于电路中的__________（选填“电源”或“开关”）。 【变式2-2】阅读下列材料，回答问题。 发热材料PTC是一种新型的半导体陶瓷材料，它以钛酸钡为主，渗入多种物质加工而成，目前家用的陶瓷电热水壶、陶瓷暖风器就是用PTC材料做成的。它有一个根据需要设定的温度，称为“居里点温度”，低于这个温度时，其电阻值随温度的升高而减小；高于这个温度时，电阻值随温度的升高而增大。用PTC材料制成的电热器具有发热、控温双重功能，应用十分广泛。图甲是家用电灭蚊器，它的发热部分就使用了PTC发热材料，其电阻值随温度变化的规律如图乙所示，电灭蚊器工作时通过发热体将电蚊香液加热并挥发出去达到灭蚊效果。 （1）由图乙可知，该PTC材料的“居里点温度”为______，此时PTC材料的电阻______（选填“最大”或“最小”）； （2）当发热体的温度高于并继续上升时，电灭蚊器消耗的电功率会______（选填“增大”、“减小”或“不变”）； （3）请再写出一个应用PTC材料在日常生活、生产中的应用：______（合理即可）。 【知识点3 设计校园光伏发电项目方案】 1．光伏发电的原理：利用 将光能直接转变为 能。 2．能量转化： 能转化为 能，不经中间环节。 3．光伏发电的核心元件： 。 4．影响输出功率的因素： 、温度、 、电池板清洁度等。 5．应用实例：家庭屋顶光伏电站、光伏路灯、大型地面光伏电站、光伏交通、太阳能汽车等。 【例3】光伏发电产业是我国低碳经济的亮点之一，作为清洁能源转型的核心技术，太阳能电池板将太阳能直接转化为电能，大幅降低了碳排放。如图所示为太阳能电池板发电原理及系统示意图。 （1）光伏电池板中由纯硅掺杂形成的N型硅和P型硅，均属于________。 A．导体 B.半导体 C.绝缘体 D.超导体 （2）电池板的外壳材料选择有较高的要求，下列性质不是外壳材料所具备的是________（填字母）。 A．良好的导热性 B.良好的透光性 C.良好的导电性 D.良好的耐磨性 （3）小新通过调查发现若学校房顶的太阳能电池板面积为，在阳光的照射下，它们转化电能的能力为，某日阳光的有效照射时间为2h。学校的30间教室里，每间教室分别有15盏40W新型护眼照明灯，一台300W的大屏幕，其他电器设备总功率100W。当日通过太阳能电池板获取的电能若全用于这些教室，则可维持这些教室里的电器持续工作________h。 （4）请你帮助小新写出提高光伏发电效率的一个建议：________。（作答不超过20个汉字） 【变式3-1】据统计，我省光伏发电输出创历史新高，光伏发电的核心部件是光电板。光电板吸收太阳能的多少是技术关键，它与什么因素有关？小明猜想光电板吸收太阳能的多少可能与光电板的面积、光照时间、光电板的颜色有关。根据以上猜想，小明设计实验方案，进行了实验探究，实验数据记录如表所示： 序号 光电板的面积（m2） 光照时间（min） 光电板表面所涂颜色 LED灯发光时间（min） 1 0.1 10 黑色 30 2 0.1 20 黑色 60 3 0.3 10 黑色 90 4 0.1 10 白色 5 （1）该实验中光电板吸收太阳能的多少是通过___________反映。 （2）由表中1、3两组数据，可初步得到的结论是___________。由表中数据分析可知，制作太阳能光电板用____________色较好。 （3）在安装光伏板时，需综合考虑地理位置、季节及光伏板类型等多重因素。季节变化亦需考虑，夏季可适当增大角度避免过热，冬季则可减小角度以充分吸收阳光。根据以上信息，请你提出一个可探究的科学问题：_____________。 【变式3-2】请阅读《光伏发电》并回答下列小题。 光伏发电 光伏发电是利用半导体界面的“光生伏特效应”而将光能直接转变为电能的一种技术。 “光生伏特效应”简称“光伏效应”，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差（电压）的现象。如图甲所示，太阳能电池内部的P型硅和N型硅结合在一起，它们的交界面附近的区域形成PN结，当适当频率的光照射PN结时，由于内建电场的作用，受激电子和空穴各自向相反的方向运动，电子收集到上电极，空穴收集到下电极，产生电动势，称为光生电压。这种由PN结的内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。 图乙所示为某光伏发电系统结构图，该系统主要由经过串联后进行封装保护而形成大面积的太阳能电池组件、控制器和逆变器等部分组成。太阳能电池组件将太阳能转化为电能。当太阳能充足、发电量超过用户需求时，将发出的多余电能通过控制器存储在蓄电池中；当光照较差、发电量不能满足用户需求时，控制器释放蓄电池中存储的电能供用户使用。 与常用的火力发电系统相比，光伏发电具有：无枯竭危险；安全可靠，无噪声，无污染排放；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电等众多优点，它是各国争相发展的一种发电方式。我国在光伏产业的各个领域都具备明显领先优势，发展空间十分广阔。 请根据上述材料，回答下列问题： （1）太阳能电池板的下电极相当于电源的______极；（选填“正”或“负”） （2）当光照较差、用户处于用电高峰时，光伏发电系统中的蓄电池应处于______状态；（选填“充电”或“放电”） （3）根据光伏发电系统结构图，你猜想逆变器的主要作用是______； （4）如果请你为一个家庭安装太阳能电池板，假设这个家庭的平均日用电量是10kWh，家庭所在地的平均日照时间是5h，太阳能电池板每平方米的平均输出功率为50W，为了满足这个家庭的用电需求，则需要安装的太阳能电池板的面积为______m2。 模块三 课后作业 一、选择题 1．我国自主研发的IGBT芯片（如图所示）是高铁强劲有力的心脏，这一重大突破使得我国一举打破了高端IGBT芯片长期受制于人的局面。制造芯片的硅材料是（　　） A．导体 B．绝缘体 C．半导体 D．超导体 2．如图所示的智能手表可以显示时间、体温、心率等信息，方便人们监测身体状态，下列关于智能手表说法错误的是（　　） A．橡胶表带是绝缘体 B．铜的导电性优于铁，所以铜更适合做内部的导线 C．手表屏幕使用的发光二极管主要由半导体材料制成 D．手表里的芯片采用超导粉末冶金技术，超导材料制成的元件电阻很大 3．如图所示的一种太阳能背包，包的前面有一个太阳能电池板，它可以给包里的蓄电池充电，蓄电池又可以给手机、小风扇等充电。下列说法错误的是（   ） A．太阳能电池板可以将太阳能转化为电能 B．太阳能电池扳给蓄电池充电时，将电能转化为化学能 C．蓄电池给手机充电时，将内能转化为电能 D．小风扇工作时，将电能转化为机械能 4．我国天宫空间站使用4对柔性三结砷化镓太阳能电池板来发电，它的技术非常先进，光电转换效率超30％。下列说法正确的是（　　） A．太阳能电池板所用材料三结砷化镓是超导体 B．太阳能电池板面积越大，发电效率越高 C．太阳能电池板工作的效率超30％，表明太阳能电池板把至少30％的太阳能转化为化学能 D．太阳能电池板工作的效率超30％，表明太阳能电池板把至少30％的太阳能转化为电能 5．人类已经进入了电气化时代，生产生活离不开各种材料。下列说法中正确的是（　　） A．导体容易导电是因为内部的电荷都能自由移动 B．LED灯是由超导体材料制作的，具有单向导电性 C．导体和绝缘体之间有明显界限，它们不可以相互转化 D．绝缘体不容易导电是因为内部几乎没有可以自由移动的电荷 6．（多选）如图甲所示，某公园安装了一种智能路灯，它能够根据环境光照强度（简称：照度，单位：lx）和行人活动情况自动调节亮度。智能路灯上装有一个光敏电阻（阻值随照度的变化情况如图乙所示）和一个红外传感器（用于检测行人）。已知：路灯的亮度自动调节范围在20%（照度：100lx）至100%（照度：500lx）之间，且当环境照度低于30lx时，路灯会自动开启；当环境照度高于70lx时，路灯会自动关闭。此外，当红外传感器检测到行人时，路灯的亮度会在当前基础上增加20%，以提供更好的照明效果。以下说法正确的是（  ） A．某晴天从期间，光敏电阻阻值逐渐减小 B．若光照强度为某一特定值，且有行人通过时，路灯亮度可能为最大亮度的 C．若路灯当前亮度为，有行人通过时，路灯亮度变为最大亮度的 D．一般来说，光敏电阻会安装在智能路灯的灯泡照射范围以外 二、填空题 7．如图是我国塔拉滩光伏发电园区，它是全球装机容量最大的太阳能发电基地。太阳能电池板的制作原料是硅，导电性能介于导体与绝缘体之间，它是________材料，太阳能电池板工作时将太阳能转化为________能。 8．我国目前能自主生产的手机CPU芯片采用7nm制程工艺，其中最小晶体管的栅极长度为7nm，等于______m。制成CPU芯片的材料硅（元素符号Si）是一种________体材料。CPU芯片表面覆盖着散热片，这是用__________的方式降低芯片的内能。 9．在国家“光伏扶贫”项目中，小明家安装了太阳能发电系统，白天太阳能电池板发电，向电网提供电能，太阳能属于______________（选填“可再生”或“不可再生”）能源；中午时段，太阳能电池板的输出电压为500 V，输出电流为20 A，10 h可以为电网提供电能___________kW· h；这些电能可供额定功率为2000 W的热水器正常工作____________h。 三、实验题 10．爱动脑的小明猜想光电板吸收太阳能的多少，可能与光照时间有关。为了验证猜想，他借来三个相同的光电板并分别接在相同的放完电的蓄电池上，然后将这些光电板从当天上午十点开始，正对太阳光照射不同的时间，再分别让这些蓄电池为相同的小灯泡供电，直到小灯泡熄灭，记录小灯泡的发光时间。 （1）白天太阳能电池板发电，向电网提供电能，此过程中太阳能转化为__________能； （2）实验时是通过比较__________来比较光电板吸收太阳能的多少的，这种方法叫做__________法； （3）为了方便记录与分析数据，请你帮小明在图乙的虚线框内设计出符合题意的表格________； （4）中午时段，太阳能电池板的输出电压为500V，输出电流为20A，2h可以为电网提供电能__________kW·h； （5）根据生活经验，请你猜想，光电板吸收太阳能多少还可能与__________有关。 四、综合题 11．如图甲所示的光敏电阻，其阻值R随光强E[光强是表示光的强弱程度的物理量，照射光越强，光强越大。光强用符号E表示，国际单位为坎德拉（）]的变化关系如图乙所示。把它接在图丙所示的电路中，其中R是光敏电阻，是定值电阻。 （1）光敏电阻主要是由________（选填“超导体”“导体”“半导体”或“绝缘体”）材料制作而成的。 （2）由乙图可知：当光强增大时，光敏电阻的阻值________（选填“增大”“不变”或“减小”）。 （3）在丙图中，当光强为时，闭合开关后，电流表的示数为0.1A，电压表的示数为2V，则定值电阻的阻值为________Ω；当光强增大到时，电压表的示数________（选填“变大”“不变”或“变小”）。 第 12 页 共 12 页 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $