解释不同材料的电流-电压曲线

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-电压曲线所涉及的想法。

这篇技术文章讨论了使用理想的线性元件的 I-V 曲线来理解和解释不同的材料以及它们如何用作电子设备。特别是，该文章涵盖了太阳能电池、电池和新材料。虽然将提供有关这些设备如何工作的外部参考，但本文将仅关注这些设备的 I-V 曲线。

太阳能电池是将光能转化为电能的光电器件。换句话说，它们在暴露于光线下时会产生能量。当光落在光伏半导体材料（太阳能电池）上时，光子的能量会转移到材料上，从而产生自由移动的电荷。

对于带有负载电阻的完整电路，当太阳能电池暴露在光线下时，电路中会产生电流。由于太阳能电池产生电流，其I-V曲线是通过负载切换获得的。

负载切换涉及使用跨电源连接的不同电阻器负载并测量设备两端的电压（使用电压表）以及通过它的电流（使用电流表）。为了了解太阳能电池可以为电路提供电流的程度，我们使用负载开关方法测量设备的 I-V 特性。典型曲线如图1所示。

对于 0 欧姆的电阻负载（短路），太阳能电池在给定入射光下可以产生的最大电流称为短路电流 $$I_{SC}$$。在另一个极端，对于无穷大的电阻负载（开路），电路中将没有电流，而太阳能电池在给定光照下产生的电压称为开路电压，$$V_{OC }$$。

从图 1 所示太阳能电池的 I-V 响应中，我们看到典型太阳能电池的行为更像是负载电阻值较小的电流源。另一方面，电池往往表现得像电压源，我们将在下一节中看到。

电池是伏打电池的集合，是一种通过电化学反应将化学能转化为电能的装置。电池的额定电压和容量额定值 (A-hr) 基于其化学结构和成分。电池类型的示例是镍镉 (Ni-Cd) 或锂离子 (Li-Ion)。

由于电池是电源，因此使用负载开关可以获得电池的 I-V 响应。电池的I-V曲线示意图如图2所示。

理想的电池像理想的电压源一样工作。仍然功能齐全的真实电池就像一个理想的电压源，但它具有如图 2 中实线所示的斜率。

I-V 曲线上的斜率是一个电阻（如关于理想组件的 I-V 曲线的文章所述）。因此，真正的电池通常表示为与内阻串联的理想电池，如此处所述。太阳能电池和蓄电池的 I-V 特性不通过原点，表明它们存储某种形式的能量。

我们已经看到了理想元件的电流-电压曲线，它们是线性和无源器件，例如电阻器、电容器和电感器。我们还研究了提供电源的有源设备，例如理想电压源和电流源。

使用理想图，我们查看了非线性无源器件（如二极管和晶体管）以及有源器件（如太阳能电池和电池）的 I-V 曲线。在某个时间点，二极管和太阳能电池等设备是未知的，测量电流与电压的特性是一种建模使用线性组件的设备。在 I-V 曲线背后有一个基本的直觉可以帮助工程师发现材料的新用途。

在本节中，我们将查看刺激电极的 I-V 曲线，用于在哺乳动物中发送电脉冲。本文的这一部分只是让我们深入了解我们如何使用线性组件的 I-V 曲线来可视化未知的 I-V 响应，并对其行为有直观的了解。

电极是一种与电路的非金属部分接触的导电材料。例如，电池由放置在电解质中的电极构成。为了研究电极中使用的材料，电化学家进行了一种称为循环伏安法的测量，这本质上是使用电压扫描方法的 I-V 曲线测量。

循环伏安 (CV) 图是研究电化学反应最普遍的电压的方法。在这方面，CV 还考虑了执行电压扫描的速率。您可以在此处了解有关循环伏安法的更多信息。

电极 I-V 曲线的测量设置通常是三电极系统。电极置于盐溶液 (NaCl) 中，有一个铂对电极和一个参比电极。下图是用于生物刺激应用的氧化铱膜电极的 I-V 响应或循环伏安图示例。

图 3 中的曲线显示了氧化铱电极的 CV 曲线。与电阻器不同的是，观察氧化铱在盐溶液中的电极响应结合了电容器的特性——也就是说，它存储电荷。这种电荷存储特性以及许多其他特性是这种材料用于生物刺激的原因，即将电荷注入生物组织。

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