做“蓄电池”，不当“干电池”
高中新课程改革即将在北京市全面展开。新课程在功能、结构、内容、评价和管理等方面都比原来的课程有了重大创新和突破，这场改革给教师带来了严峻的挑战和不可多得的机遇。作为一名高中物理骨干教师，经过多年的教学，我已经有了比较坚实的学科知识，对高中物理教学有了比较准确的把握，逐步形成了自己的教学风格，这使我在应对新教材时多了一份从容和镇定，但同时也感到，多年教学所形成的教学惯性和思维惯性，使得我们在接受新知识方面不如青年教师，容易忽略对课改新鲜的理念的领会和灵活的教学方式的运用，因而骨干教师在新课改中也面临着专业提升。
1.强化自身的专业意识，关注自身的职业发展
为了适应教师角色的重新定位，教师应不断调适自己，坚持不懈地谋求自我发展，改善教师的职业价值观——教师这一职业不仅要“益人”，而且还要“益己”；不仅要“促进学生发展”，也要“促进自身的发展”；不仅要为学生健康的身心、丰富的精神世界和美好的社会生活服务，也应该为自身的美好生活服务，成为一种幸福的生活方式。这样，我们才会有兴趣、有信心、有责任、有毅力去克服困难，攀登高峰。
2.不断学习，更新教育观念
在新编出版的物理课程标准教材中，知识体系有了很大的变化，内容的价值取向呈现多元化的特点，不确定性因素也随之增多，这就要求教师要学习新课程的基本要求，深入研究物理课程标准和教材，研究教学方案，根据本地、本校、本班的实际情况做出相宜的安排，设计好每一堂课，充分关注学生在知识、技能、方法、情感、态度、价值观等方面的变化，鼓励学生富有个性地学习。
3.构建自己的知识结构
首先，更新专业知识。新课程对物理概念规律的描述更深入、准确，同时还增加了许多现代物理学知识：如多普勒效应、相对论、统计学思想、熵变等。教师只有首先精通自己所学的专业，才能以此为基础对知识进行灵活迁移，进行创造性教学。而大部分教师在大学毕业后，没有再系统地学习专业知识，造成教学的视野越来越狭窄，这远远不能适应新课程的教学。要让我们的物理课堂成为我们的专业发展的舞台，就要提高自己对物理教育的理解，丰富物理学科的修养，得到人才培养与成绩的双赢。
其次，掌握实践性知识。新课程的教学原则是“坚持从生活走向物理，从物理走向社会”。中学物理教学要尽可能从生活生产中的物理现象引入课题，使学生有学习物理知识的渴求，并用所学到的知识观察生活社会中的问题。这就要求教师有广泛的科技知识、文学知识和文体活动知识。
最后，具备教育学、心理学的相关知识。教育对象是活生生的人，教师只有具备较好的教育学、心理学知识，才能使自己的行为符合教育教学规律，符合青少年的心理发展特点，更好地将知识内化为学生的能力，更好地促进学生的全面发展，也才能使教育真正成为孩子的 “心灵归宿”。
4.改善教学方式，改进教学行为
在新的教育理念指导下的高中新课程，非常强调改变学生的学习方式，倡导面向全体学生，开展多样化的探究式学习。目前，学生学习存在着两种基本方式：一种是接受式学习，它是以听讲和习作为基础的学习，另一种是探究式学习，它是以感受和体验为基础的学习，两者各有利弊。教师要善于运用不同的教学方式，掌握驾驭不同教学方式的能力，以培养学生的不同智能。
总之，高中新课改要求我们教师不断学习新的教育理念，全面学习研究高中新课程，做课程改革的引领者、带头人，不当“干电池”，而要做“蓄电池”，在学习的过程中实现自身的专业发展。□
（作者单位：北京师范大学良乡附属中学）
编辑 王雪莉
作者：王丽军
背景
在今日众所关注的“绿色”环保焦点中,太阳能电源是相当令人瞩目的供电方案。而随着使用可再生能源之趋势,同时也促成了太阳能、或风力等替代能源的与日俱增。而在脱离电网 (此时,没有可用的线路电源) 的应用中,太阳能电池板也成为一种富有吸引力的发电替代方案。一般情况下,这类单一电池板可提供 <25W～30W 的功率,且面积不到 4 平方英尺,更低功率的电池板可能更小。太阳能供电之充电系统的目标,是不仅在白天可直接为系统供电,而且还可在阳光最充足的时候为储存单元 (一般是电池) 充电,如此在夜间或阳光不充足的情况下,当电池板输出功率接近零时,电池就可以为系统供电。传统上,这些应用大部分使用密封铅酸 (SLA) 电池作为主要的存储单元,但是,随着应用的外形尺寸减小,锂化学组成正变得越来越常见。
在便携式和非便携式环境中,利用太阳能为这些电池充电已逐渐成为主流。单块太阳能电池板存在于许多新兴应用中,其中包括坚固耐用的军用笔记本电脑、工业库存和销售点 (POS) 管理设备、远程检测单元、便携式汽车诊断设备、海洋太阳能浮标、路标照明、路边紧急电话、人行道指示灯照明、甚至是以太阳能供电的垃圾压缩机等。此外,在许多应用中,也已经出现了磷酸铁锂 (LiFePO4)电池,这种电池比以钴为基础的锂离子聚合物电池 (典型值为4.1V或 4.2V) 提供更高的安全性和更低的浮动电压 (3.6V) 。这种化学组成也有其他很多以钴为基础的锂离子/聚合物电池所具有的优点,包括较低的自放电速率和相对低的重量。此外,相较而言,LiFePO4可提供更长的周期寿命和总寿命、更高的峰值功率额定值、针对更高的热失控电阻而达到更高安全性、以及更小的环境影响。
设计问题
一般情况下,从太阳能电池板汲取峰值功率,不是非常昂贵 (因为使用太阳能电池稳压器模块)就是难以达成,一般需要利用微控制器和大量独立式零部件的复杂电路。这些完整的最大峰值功率追踪 (MPPT) 模块,传统是以大型电池板电源应用为目标,例如住宅或商务大楼,但是,随着所发现太阳能电源的用途越来越广,市场应用情况正在改变。
对于给定数量的光能来说,太阳能电池板具备一个输出电压,在这个输出电压时则产生峰值输出功率。电池板内部的旁路二极管可能产生复杂的功率与电流特性,当电池板上有部分光线被遮住时,这类特性不容易优化。不过,目前市场上几乎所有规定最大输出功率低于25W～30W的12V系统太阳能电池板都是由简单的串联电池配置构成,而不具备旁路二极管。这种类型的配置产生位于窄电池板输出电压频段内的峰值输出功率,而不论光照条件如何。视电池板特性的不同,峰值功率可能从12.5V～18.5V的电池板电压产生。
磷酸铁锂电池可能不可透过标准锂离子/聚合物电池充电器充电,考虑到这类电池3.6V的较低浮充电压特性,如果没有正确充电,可能导致对电池不可修复的损坏。准确的浮动电压充电将延长电池寿命。充电预查验 (慢充) 还有助于避免损坏电池,尤其是在深度放电时。
目前缺乏具内置充电终止功能 (以 >20V的高压工作) 的太阳能供电单片 (内置电源电路) 电池充电器 IC 解决方案。但有一些暂时性解决方案则可完成这个任务,尤其是获得太阳能的能力。不过,这些解决方案大且复杂,需要很多外部部件,并占用宝贵的 PCB 面积。
总结关键的设计问题如下:
● 利用目前的解决方案从太阳能电池板汲取峰值功率不是非常笨重,就是非常昂贵
● 缺乏具内置充电终止功能 (以 >20V的高压工作) 的太阳能供电单片电池充电器 IC 解决方案
● 磷酸铁锂电池有较低浮动电压的特殊充电需求,但是与锂离子/聚合物电池相比有一些优点
简单的解决方案
任何要满足上面讨论的设计限制条件的解决方案,都必须是精小、高压和整体的,其能以内置充电终止功能对应太阳能电源输入电压变化和多种电池化学组成的解决方案。这样的部件,将成为提高全球能量取得,与保存应用安装量的促成因素。
太阳能电源能力和多种化学组成电池的运行
LT3652 IC是以凌力尔特广受欢迎和强大的 LT3650 系列为基础而开发的。它是一个创新、具太阳能电源追踪功能、整体降压电池充电器IC。该部件运用了一种创新的输入电压调节回路,该回路负责控制充电电流,以将输入电压保持在设定的位准上。当LT3652由单块太阳能电池板供电时,输入调节回路强制电池板以峰值输出功率运行。这个独特的输入电压调节回路电路系统提供了与更复杂和更昂贵的 MPPT 方法几乎同样的输出功率。
LT3652可操作于4.95V～32V的宽范围输入,具40V绝对最大额定值,以增加系统裕度。它能够为多种电池组配置充电,包括单颗至三颗串联锂离子/聚合物电池、单颗至四颗串联磷酸铁锂电池、12V密封铅酸 (SLA) 电池、以及高达14.4V的电池。图1为详细信息。
LT3652的充电电流可设定达2A。这款独立型电池充电器无需使用外部微控制器,并具有使用者可选的充电终止功能,包括C/10或一个内部定时器。该部件的1MHz固定开关频率实现了小巧的解决方案外形尺寸。浮动电压回授准确度规定为±0.5%,充电电流准确度为±5%,而 C/10 检测准确度为±2.5%。一旦充电操作终止,LT3652 就自动进入一种低电流待机模式,该模式把输入电源电流减小至85μA。在关机模式中,输入偏置电流减小至15μA。在所有非充电周期,通过从电池泄漏 <1μA 的电流,LT3652 最大限度地延长了电池寿命。对于自主型充电控制,如果电池电压降至编程设定的浮动电压以下达2.5% 时,自动再充电功能就将启动一个新充电周期。其他安全相关的功能包括低电池电量预查验、热敏电阻输入以用于温度合格的充电、坏电池检测和二进制编码状态输出针脚。LT3652采用扁平 (0.75mm) 12引脚3mm x 3mm DFN封装,保证可工作于 -40℃～125℃ 的接面温度范围内。
创新且简单的输入电压调节回路
LT3652的输入电压调节控制回路方法与昂贵的 MPPT 方法相比是非对具有优势的,其提供了几乎同样的效能。输入电压调节回路:
● 从太阳能电池板汲取最大可获得的功率
● 如果电池板输出电压降至编程设定的位准以下,降低充电电流
● 对于所使用的特定太阳能电池板,保持电池板处在对应于峰值输出功率点的输出电压上
● 透过电阻分压器设定想要的特定峰值功率电压
对于图2的应用电路,图2显示作为输入电压函数的最大充电器电流,同时显示在电池板电压下降时,该部件如何降低输出电流。
电压监视器接脚可实现对最小工作电压的设置。从VIN到VIN_REG接脚连接一个电阻分压器,可实现最小输入电源电压的设置,这种方法一般用来为太阳能电池板设置峰值功率电压。当VIN_REG接脚低于 2.7V 的稳压门坎时,则降低最大充电电流。
如果输入电源不能提供足够的功率来满足 LT3652充电器的需求,那么电源电压将崩溃。因此,最低工作电源电压可以透过一个电阻分压器监视该电源来设置,以使想要的最低电压对应于 VIN_REG 接脚的2.7V。LT3652伺服最大输出充电电流,以保持 VIN_REG接脚上的电压等于或高于2.7V。透过如图 3 所示连接一个电阻分压器,可以完成对想要的最低电压的设定。对于想要的最低电压(VIN(MIN)) ,RIN1/RIN2 之比为:
RIN1/RIN2 = (VIN (MIN)/2.7) - 1
如果不使用电压调节功能,那么VIN_REG接脚可以连接到VIN。
MPPT 温度补偿
一个典型的太阳能电池板是由许多串联连接的电池组成,每节电池都是一个正向偏置的p-n 节。因此,单颗太阳能电池的开路电压 (VOC) 具有与普通 p-n 节二极管类似的温度系数,或温度系数约为 -2mV/°C。一个晶体太阳能电池板的峰值功率点电压 (VMP) 可以近似为一个低于VOC的固定电压,因此这个峰值功率点温度系数类似于VOC的温度系数。电池板制造商一般为VOC、VMP和VOC的温度系数规定 25℃ 的值,以此简单地决定一个典型电池板VMP的温度系数。LT3652利用一个回授网络来设定VIN输入稳定电压。网络控制有助于为一个MPPT 应用高效率地实现各种不同的温度补偿方案。
结论
太阳能电源已经从“时髦”变为实用的方案,以住宅和商用大楼而言,最初的应用需要大型电池板,而现在正逐渐变小、不依靠电网的单块电池板应用。在高阶消费性、汽车、工业、路边、海洋和军事领域上,也都已开发了需要这类单块电池板太阳能电源的便携式和非便携式应用。LT3652在电池充电器领域因应了尚未满足的需求,此整体IC,为从太阳能电池板汲取峰值功率提供了一个简单、创新的输入电压控制回路,并具有为多种化学组成充电的能力,包括磷酸铁锂、锂离子/聚合物和密封铅酸电池。同时,该部件还具有快速 2A 充电能力、内置充电终止功能、高压工作、并可组成一个精小而简单的解决方案。
作者：凌力尔特电源产品部高级产品营销工程师
摘要： 为合理分配燃料电池/蓄电池电源投入的功率及很好地保护蓄电池，本文利用Matlab/Simulink搭建了燃料电池/蓄电池混合动力汽车整车系统模型，并基于燃料电池系统的功率效率曲线，设计了其能量管理系统(energy management system，EMS)，根据蓄电池的荷电状态(state of charge，SOC)和负载需求功率分为14种状态，以此确定燃料电池系统的输出参考功率，在合理保护蓄电池的同时，尽可能地提高燃料电池系统的输出效率。为测试该能量管理系统对燃料经济性的改善程度，本文在Matlab/Simulink环境下进行仿真模拟。仿真结果表明，与基于功率追踪的EMS相比，本文提出的EMS蓄电池储存的电能更高，可以有效地减少氢气的消耗，同时使蓄电池的SOC保持在合理区域，使混合动力汽车具有更好的经济性和安全性。该研究具有重要的经济实用价值。
关键词： 燃料电池; 蓄电池; 能量管理系统; Matlab/Simulink; SOC
收稿日期： 20170518; 修回日期： 20170824
基金项目： 863计划项目资助(2014AA052303);山东省自然科学基金项目资助(Y2008F23);山东省科技发展计划项目资助(2011GGB01123);山东省自主创新及成果转化专项(2014ZZCX05501)
作者简介： 陈明帅(1992)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统在线监测及故障诊断。
通讯作者： 李立偉(1970)，男，山东人，博士，教授，硕士生导师，主要研究领域为电力系统的智能监测和状态维修，可再生能源接入与智能配电网技术，电能质量调节与控制，高速列车运行监测、控制系统及新能源汽车电控系统开发等。Email： ytllw@163.com 汽车是人类交通发展史上最重要的发明之一。随着汽车数量的不断增多，汽车尾气大量排放，环境污染问题越来越严重，能源危机问题日益凸显。因此，大力发展环境友好型的汽车已成为汽车发展的重要方向[14]。纯电池电动汽车虽然几乎“零污染”，但其充电时间长、续驶里程短的缺点为日常出行带来诸多不便，而燃料电池存在输出特性曲线软和功率响应慢的缺点[56]。因此，基于燃料电池与蓄电池的混合动力汽车应运而生，能量管理系统则在二者的功率分配、整车的动力性能及燃耗的经济性方面起着重要的作用。能量管理系统对混合动力系统功率的优化分配分为全局优化和实时优化两类。D. Feroldi等人[7]提出了基于稳态性效率图的控制策略;H.Hemi等人[8]设计了一种基于Pontryagin原理的最优功率分配策略。以上研究都在一定程度上降低了燃料的消耗;而B.Erdinc等人[9]则是以瞬时等效燃耗最低为目标函数，同时引入惩罚因子的方法来对蓄电池的SOC进行调控，使混合动力系统拥有较好的经济性;O. Farouk等人[10]则研究了两种控制策略，一种是基于模糊控制的能量管理策略，另一种则是基于最优控制的能量管理策略，并通过实验验证最优控制策略的经济性更好。基于此，本文提出的是一种基于燃料电池系统功率效率曲线的实时优化控制策略，在保证蓄电池工作于合理充放电和SOC的前提下，最大限度的提高燃料电池系统的效率，以达到实现燃料消耗最低的目的。该研究具有一定的经济适用性。
1燃料电池/蓄电池混合动力系统模型
燃料电池/蓄电池混合动力系统模型如图1所示。该模型参考Honda FCX Clarity实车建立，主要由燃料电池系统模块、蓄电池功率计算模块、DC/DC变换器模块、电机系统模块、蓄电池模块、车辆动力学模块和能量管理控制模块构成。
车辆、永磁同步电机、燃料电池和蓄电池模块参数如表1～表4所示。
1.1燃料电池系统建模
本文所用到的燃料电池模型是基于开路电压EOC，塔菲尔斜率A和交换电流i0建立的模型。其输出电压为[11]
VFC=EOC-NAlniFCi01sTd/3+1-iFCrFCin(1)
式中，Td为反应时间;iFC为燃料电池电流;rFCin为燃料电池内阻;N为反应单元数。开路电压EOC为在额定条件下的电压常数KC和能斯特电压En的乘积，即
EOC=KCEn(2)
En=1229+(T-298)-44432F+RT2Fln(PH2P1/2O2)， T≤373K(3)
式中，T为反应温度;F为法拉第常数;PH2为氢气进入反应堆的分压;PO2为氧气进入反应堆的分压;PH2O为水蒸气在反应堆的分压。即
PH2=(1-UfH2)x%Pfuel(4)
PO2=(1-UfO2)y%Pair(5)
PH2O=(w+2y%UfO2)Pair(6)
式中，Pfuel为燃料的绝对压力;Pair为空气的绝对压力;x为氢气在燃料中的比重;y为氧气在空气中的比重;w为氧化剂中水蒸气的百分比;UfH2为氢气的利用率;UfO2为氧气的利用率。即
UfH2=60 000RTiFCzFPfuelVfuelx%(7)
UfH2=60 000RTiFC2zFPairVairy%(8)
式中，Vfuel为燃料的流速，L/min;Vair为空气的流速，L/min。
燃料电池系统不仅有质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells， PEMFC)，还有相应的辅助设备[1213]。而空气压缩机占辅助设备消耗功率Paux的95%，本文只考虑空气压缩机的消耗功率，所以燃料电池系统的实际输出功率为
Pout=Pstack-Paux(9)
式中，Pstack和Pout和分别为燃料电池和燃料电池系统的输出功率。如果燃料电池本身的效率为ηFC，则燃料电池系统的输出效率为
该燃料电池系统的整体效率和功率关系如图2所示。
1.2蓄电池建模
本文所用的蓄电池模型是基于空载电压Ebatt，内阻rbatt，电池电流ibatt建立的模型。其中，Ebatt分为充电空载电压Ebattcha与放电空载电压Ebattdis，即
Ebattdis=E0-K[Q/(Q-it)]i*-
K[Q/(Q-it)]it+Aexp(-Bit)(11)
Ebattcha=E0-K[Q/(01Q+it)]i*-
K[Q/(Q-it)]it+Aexp(-Bit)(12)
式中，Q为最大电池容量;it为电池实际放电容量;K为极化系数;A为指数放电区电压值;B为指数区时间常数倒数[1416]。
蓄电池在满充的情况下，电池的SOC为100%;在电量全部耗尽的情况下，电池的SOC为0%。SOC的计算公式为[11]
SOC=1001-1Q∫t0i(t)dt(13)
本文采用的蓄电池额定容量为25 A·h，额定电压为288 V的锂离子电池。蓄电池放电特性曲线如图3所示。
1.3DC/DC变换器建模
由于燃料电池动态响应慢，当电流增大时，电压减小，不适合直接带负载。因此，需要合适的DC/DC变换器，使燃料电池的输出电压更加稳定，从而满足电机电压的需求[1719]。由于燃料电池的电压高于负载侧电压，所以采用电流控制的降压电路。DC/DC變换器的仿真模型如图4所示。
通过对燃料电池输出效率分析可知，燃料电池系统在低功率区域和高功率区域效率都较低，同时由于燃料电池动态响应缓慢的特性，功率波动对燃料电池系统的效率也会产生影响。因此，合理控制蓄电池的充放电功率，使燃料电池系统尽可能在输出高效区工作，减少功率波动成为能量管理策略的重点。需充分考虑蓄电池使用寿命和安全性，使蓄电池的SOC控制在合理范围内。因此，引入燃料电池系统输出功率节点PFCmin和PFCmax-PB(如图2中所示)。燃料电池系统的最大输出功率定义为PFCmax，蓄电池的充放电功率分别限制为PB和-PB;SOC的高低限值定义为SOCH和SOCL，将蓄电池的SOC分为3个区域：低SOC区(SOC<40%)，正常SOC区(40%≤SOC≤80%)，高SOC区(SOC>80%);负载功率需求定义为PL。
控制策略根据不同的SOC状况及负载功率需求，大致可分为14个状态，其中为避免在SOC分点SOCH和SOCL处的波动及状态的频繁切换，设置状态保持策略。当SOC由正常区进入高SOC区时，将会持续采取高SOC区控制策略至SOC值小于78%，才恢复到正常区控制策略。同理，当SOC由正常区进入低SOC区时，将会持续采取低SOC区控制策略至SOC值大于42%，才恢复到正常区控制策略。本文提出的控制策略如表5所示，由表5可以看出：
3仿真及结果分析
为测试该能量管理系统对燃料经济性的改善程度，本文在Matlab/Simulink环境下进行仿真模拟。为验证跨SOC区时的状态保持策略，更好地对比燃料消耗，分别将本文提出的能量管理策略和基于功率追踪的能量管理策略应用于同一燃料电池混合动力汽车，并在新欧洲行驶循环(new european driving cycle，NEDC)工况中的市区工况与郊外工况中进行模拟，蓄电池初始SOC选为736%。循环工况如图6所示。基于功率追踪控制的能量管理策略仿真曲线如图7所示。由图7可知，燃料电池的输出功率以负载的需求功率为依据，蓄电池是在起步加速过程中提供瞬时功率来弥补燃料电池动态响应慢的缺点，在减速刹车时回收再生制动产生的能量。
由图8可以看出，通过蓄电池的充放电可以使燃料电池避免工作在低效率区域，同时在负载低功率时，燃料电池基本保持恒定输出，大大减少了输出功率的波动;在366 s时，蓄电池的SOC达到80%，此时将进入高SOC区，并执行状态保持策略，为使与基于功率追踪控制策略的SOC值最终基本相等，在366 s后，持续执行高SOC控制策略;在524 s时，汽车刹车产生的再生制动能量远大于设定的蓄电池的充电功率限值，此时燃料电池系统输出功率置为0，刹车电阻投入工作，消耗多余的能量，蓄电池的充电功率被限制在25 000 W，直到再生制动能量小于蓄电池的充电功率限值时，燃料电池又渐渐根据再生制动能量的具体情况投入工作，最后工作于PFCmin。
两种能量管理策略仿真蓄电池SOC曲线和燃料消耗曲线如图9和图10所示，其中基于提出的EMS的SOC和燃料消耗最终值分别为76%和2198 g，基于功率追踪控制的SOC和燃料消耗最终值分别为7572%和2286 g。通过数值对比可以发现，本文提出的能量管理系统最终的结果是蓄电池储存的电能更高，而燃料消耗更小，因此具有更好的经济性。
结束语
本文根据纯燃料电池汽车和纯电动汽车存在的优缺点，设计仿真了燃料电池/蓄电池混合动力汽车，并根据燃料电池系统的输出效率曲线，设计了一种新的燃料电池/蓄电池能量管理控制系统，并在Matlab/Sinulink环境下进行了仿真验证。通过和基于功率追踪的能量管理系统进行对比可以看出，本文所提出的控制策略可有效地减少燃料消耗，提高整车经济性。同时，能很好的保护蓄电池，提高整车安全性。该研究对混合动力汽车的功率分配问题具有指导意义。
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作者：陈明帅 华青松 张洪伟 隋宗强 李立伟
印刷电子技术作为一种大面积、低成本的电子器件加工制造技术，解决了传统电子产品制造过程中的高污染、高消耗和生产工艺复杂等问题，引起了人们的广泛关注。近年来，喷墨印刷方式凭借无须制版、无污染、灵活、大面积等优势，结合新兴光电功能材料墨水在各种光电子器件制备中显示出了重要的应用价值。喷墨印刷电子技术应用过程中涉及了大量的基础科学问题，包括印刷材料、印刷工艺、印刷设备及器件应用性能等多个方面，其中喷墨印刷光电功能材料墨水的制备在实现高性能光电子器件加工过程中起着关键作用。因此，开发性能优越的光电功能材料墨水，对于喷墨印刷制备光电子器件具有重要研究与应用价值。本文针对喷墨印刷光电功能材料墨水种类及性能进行了分析与探究，并介绍了喷墨印刷技术在光电子器件制造加工中的应用，最后讨论了喷墨印刷技术在光电子器件制备中的挑战与机遇。
喷墨印刷光电功能材料墨水
喷墨印刷光电功能材料墨水一般是由功能填料、溶剂和分散剂组成。其中，功能填料决定了墨水在应用中的性能。如今，市场中喷墨印刷光电功能材料墨水的功能填料主要有两类：有机印刷电子材料和无机印刷电子材料。
1.有机印刷电子材料
按照材料的电学性能，有机印刷电子材料可以分为导体、半导体、电介质材料。
有机导电材料主要是指导电高分子。导电高分子除了具有导电性外，还保持了聚合物所特有的成膜性、透明性、黏着性等特点，能加工成各种所需的形状。而根据导电高分子材料的结构特征和导电机理，还可以分成复合型和结构性。复合型导电高分子是在本身不具有导电性的高分子材料中掺混入大量的导电物质来制备;结构型导电高分子主要通过化学、光化学或者电化学合成的方法制备，其导电性能与其化学结构和掺杂状态有直接关系。目前，在喷墨印刷电子领域应用的导电高分子材料很多，如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯以及掺混了金、银、铜或炭黑的高分子等，但应用最为广泛的导电高分子材料是聚3，4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)。本征态的PEDOT导电性能很差，且不溶不熔，经过聚根阴离子(PSS)掺杂的PEDOT可以很好地分散在水溶液中，形成稳定的PEDOT∶PSS悬浮液。该悬浮液可以使用喷墨印刷的方法在塑料或玻璃基底上形成一种淡蓝色的PEDOT∶PSS透明导电薄膜。此种导电薄膜不仅易于加工，而且还具有电导率高、透光性好、耐热、绿色环保等优点，主要应用于有机发光二极管、有机太阳能电池、有机薄膜晶体管、超级电容器等电子传输层和电极。德国拜耳公司掌握着PEDOT∶PSS单体PEDOT的专利，并开发出了具有不同电导率的聚合物溶液产品。但PEDOT∶PSS还存在着一些缺陷，如纳米级薄膜电导率较低、高温下易分解等。因此，科研人员开始采用各种物理方法(如紫外线处理、工艺改进、热处理、电处理和共混掺杂等)对PEDOT∶PSS进行优化处理以提高该材料制成墨水的性能。
有機半导体材料按相对分子质量可以分为有机小分子化合物和高分子聚合物。有机小分子化合物主要有稠环类芳香化合物、含硫杂环化合物以及噻吩齐聚物等。这类有机小分子材料易于提纯，能够减少杂质对晶体完整性的破坏，从而达到喷墨墨水所要求的纯度;一定的平面结构大大降低了分子势垒，有利于载流子高速迁移;易于形成自组装多晶膜，能够降低晶格缺陷，提高有效重叠;较容易得到单晶，更是极大地提高了场效应迁移率。但是，有机小分子溶液黏度普遍较低，制备成的墨水不易于形成高质量的薄膜，且多数有机小分子半导体对环境较为敏感。高分子聚合物主要有含硫杂环化聚合物、含苯环聚合物以及梯形聚合物、非梯形聚合物等。高分子聚合物具有优异的机械性能。良好的柔韧性使其制备成的墨水易于在柔性衬底上构筑器件。其次是高分子聚合物制备的墨水具有良好的成膜性能。但是高分子聚合物还存在迁移率低、稳定性差的问题，需要进一步提高。半导体材料是电子器件的核心，有机半导体材料同样是有机印刷电子领域的主要研究对象。有机半导体材料的电导率、载流子迁移率和能带间隙等方面的性质和应用领域与传统的无机半导体材料相似。但是有机半导体材料又具有很多不同于无机半导体材料的新特点：①有机化合物种类繁多，分子结构可以通过分子设计来改变或剪裁，从而为有机半导体材料的选择提供丰富的资源;②可以选择完全不同于无机器件的加工方法，如分子自组装、成膜技术等，制备工艺简单，成本低;③基于有机半导体材料的器件与柔性衬底相兼容，有利于大面积的喷墨印刷制备。有机半导体材料的这些独特性质使其在有机发光二极管、有机太阳能电池及有机薄膜晶体管等领域得到了广发的应用与研究。
电介质材料包括有机介电材料和有机传感材料。目前应用较广的介电材料主要有聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯等。它们具有很多优点：材料种类丰富;表面粗糙度低;表面陷阱密度低;杂质密度低;与有机半导体及柔性衬底有良好的相容性;能应用于低成本的印刷电子工艺。这些优点使有机介电材料在印刷电子领域中显示出极大的潜力。常用的有机传感材料除共轭聚合物外，还有聚苯撑乙烯、聚对苯撑以及聚苯撑乙炔等。有机传感材料与无机半导体和金属氧化物传感材料相比，具有以下优点：①容易加工，尤其适合制备成墨水进行喷墨印刷制备;②设计、合成新结构和新功能的自由度大，可以实现传感材料的多样性和传感目标的专一性;③可实现多种无机传感材料难以实现的识别功能。
喷墨印刷工艺需要将有机电子材料经过处理，制成具有高性能的喷墨墨水，然后通过喷墨印刷技术制成各种功能的电子器件，这就要求有机电子材料除了材料本身的良好性能外，制成的墨水还必须具有良好的印刷适性。因此，还需要大力解决有机电子材料制成的功能墨水环境稳定性差、成膜质量不高等问题。但是，有机电子材料具有成本低、制造工艺简单、可实现大面积柔性应用等优点，制成墨水与喷墨印刷技术相结合，可以大面积批量制备电子器件，具有很好的产业化应用前景。
2.无机印刷电子材料
从电子技术出现以来，无机电子材料一直是这个领域的主体和核心功能材料。随着印刷电子的发展，越来越多的无机电子材料被做成功能墨水应用于喷墨印刷，制备各种印刷电子器件。无机电子材料多种多样，但常用的大致可以分为：金属材料、碳材料、透明氧化物以及复合介电材料。
理想的金属功能墨水要求价格低廉，易于制备和储存，具有较好的印刷适性，后处理工艺简单，同时有很高的导电性。因此，市场上应用最广泛的金属功能墨水中，功能填料主要为金、银、铜等。金化学稳定性好、导电性高，在所有金属中综合性能最好，但受限于昂贵的价格只在有特殊要求的电子油墨中有所应用。银墨水是先进性能最好、最实用的功能墨水，具有导电性高、抗氧化、易制备等优点。但是，银墨水通常在印刷后需要进行烧结。由于纳米银和新型银化合物的应用，目前很多银墨水的烧结温度已经低至150℃，甚至可以室温活化，而且也缩短了烧结时间。银墨水的另一个缺点是银价格较高，影响了其广泛应用。铜是替代银的一种选择，铜的电阻率非常接近于银，但铜易氧化，它的氧化物是不导电的。为防止氧化，铜墨水制备工艺比银墨水要复杂的多;而且印刷后的铜墨水需要在真空或惰性气氛中烧结，烧结温度也较高。但是铜的价格较低，这有利于它的推广使用。
碳材料墨水是另一种替代银墨水的选择，碳材料墨水性能非常稳定，且附着力强，尤其是固化后的膜层耐酸耐碱，不易被腐蚀和氧化，而且价格要低很多。但是这类墨水的耐湿性较差，而且对很多应用而言碳墨水的导电性达不到要求。目前，很多研究人员开始应用像单臂碳纳米管、石墨烯等新型碳材料来制备碳材料功能墨水，来提高墨水的性能，尤其是石墨烯。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维新型碳材料，它被称为“黑金”，是“新材料之王”。石墨烯有非常好的电、热性质，以及非常高的电子迁移率，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。但如今，石墨烯的产量较低，造成它的价格较高。
透明氧化物是一类带隙大于3.1 eV的半导体材料，它们具有很好的性质，如高迁移率、对可见光透明、环境稳定、处理温度相对较低等。因为这些优点，透明氧化物被认为是一类非常重要的半导体电子材料，制成墨水后可以广泛应用于显示屏、太阳能电池、集成电路等印刷制备领域。
新兴的柔性印刷电子技术需要使用工艺简单、低成本的可印刷介电材料。复合介电材料就是将无机介电材料和聚合物复合制成的可印刷介电墨水。目前，常用的无机介电材料有AL2O3、Ta2O5、锐钛矿TiO2、金红石TiO2、HfO2、CeO2、ZrO2等。此外，以BaTiO3为代表的钙钛矿结构的复杂氧化物也具有很高的介电常数。无机纳米颗粒/聚合物的复合介电材料综合了无机纳米颗粒介电常数高以及聚合物机械性好、致密、平整的优点，成为实际应用中常用的一类高介电可印刷材料。
目前在可印刷低成本高导电性导体、太阳能电池、量子点器件和高迁移率的晶体管等领域的应用开发都是基于无机电子材料。无机电子材料虽然种类繁多、性质各异，但应用于喷墨印刷电子技术中时有很多共同的问题和一些共通之处，如无机电子材料溶液化较难、不易成膜、存在晶界以及通常需要后处理等缺点，使得无机电子材料的印刷电子技術还面临巨大的挑战。但随着纳米颗粒的广泛使用和新型可溶型化合物的开发，无机电子材料喷墨用墨水的热处理温度和时间在不断地降低和缩短，此外颗粒分散也更容易。
喷墨印刷光电功能材料墨水在光电子器件制备中的应用
喷墨印刷可以实现大面积复杂的复合功能性材料的图案化，制备工艺简单、成本低廉，而且喷墨印刷比传统电子制造方式更快，更便宜和生态友好。此外，喷墨印刷也非常适合大面积制造电子产品，使其在有机功能器件的制备中受到了广泛的关注。得益于数字化、非接触式的优势，理论上基于功能材料墨水的喷墨印刷技术适用于几乎所有可以印刷的电子器件，包括超级电容器、薄膜晶体管、太阳能电池、射频电子标签、发光与显示器件等，均有通过喷墨印刷进行制备的报道。
1.超级电容器
超级电容器具有功率密度高、超长的循环寿命长、快速充放电、容量大、安全等特点，并且在宽温度范围内也表现出快速的充放电特性和良好的性能。因此，超级电容器被广泛应用于军事国防、电动汽车、航空航天、可穿戴电子产品等领域，被认为是能够支持下一代电子产品最有潜力的一种能量储存设备。超级电容器的传统制备方式工艺复杂、成本高，而利用喷墨印刷技术，使用功能材料墨水来制备超级电容器可以解决这些问题。例如，K. H. Choi等人在纸上展示了全喷墨印刷的固态微型超级电容器，如图1所示，先引入一层纳米纤维作为底漆层，来提高A4纸上的印刷分辨率。再将制备的碳纳米管/银复合功能墨水，喷墨印刷成超级电容器，然后退火。印刷的微型超级电容器在0.2mA cm-2的电流密度下提供 100mF cm-2的面积电容，且在1万次循环后基本不变，拥有良好的性能。
2.薄膜晶体管
随着银墨水制备工艺的完善和喷墨印刷技术的不断发展，喷墨印刷不仅能够在柔性衬底和刚性衬底表面构建各种图案化的电极阵列，而且能够构建晶体管器件以及逻辑电路等。Zhao等人用喷墨印刷的方法在柔性衬底和硅衬底表面构建银电极阵列和简单的震荡电路。构建的有机半导体薄膜不仅能够正常工作，而且表现出优越的电性能。如图2所示，Haruya Okimoto等人用高速离心分离后的碳纳米管二甲基甲酰胺墨水通过喷墨印刷方法在二氧化硅衬底表面打印100次以后得到碳纳米管薄膜电极，并构建出全印刷碳纳米管薄膜晶体管，器件也表现出优越的电性能。
3.射频电子标签
太阳能电池或光伏电池是通过光伏效应将光能直接转化为电能的电子器件，太阳能电池能够将环境可持续能源持续转化为电能，因而能够提供更多的持续能源。喷墨印刷具有很高的印刷分辨率，而且使用喷墨印刷工艺制备的太阳能电池可以比传统的太阳能电池更便宜、更轻，因此在制备具有复杂结构的太阳能电池时具有独特的优势。如图3所示，Kuo等人展示了具有自组装的纳米晶量子点簇，且具有相对提高光子转换效率为10.9%的喷墨印刷薄膜Cu(In，Ga)Se2(CIGS)太阳能电池。大量的文献表明，喷墨印刷是一种有吸引力的数字印刷技术，可以在基底上进行低成本、环保的印刷光伏电池。
4.发光与显示器件
射频识别标签(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，当前发展了NFC电子标签技术，该技术通过射频信号自动识别目标对象，获取相关信息数据，由标签、阅读器、天线3个部分构成。传统制备电子标签的方法一般是由金属线缠绕法或蚀刻法，利用喷墨印刷技术快速大批量制备射频识别(RFID)电子标签具有重要应用价值。美国加州大学伯克利分校的Subramanian小组喷墨打印银纳米墨水用于射频识别(RFID)电子标签的制作，他们研究了银纳米粒子表面稳定剂的链长对RFID天线的导电性的影响，使得该制备方法适用于各种塑料基底。韩国延世大学 Moon课题组利用密堆积理论，将不同粒径的银纳米粒子和铜纳米粒子按一定的比例混合制备了一种新型复合纳米导电墨水，小粒子可以填充到大粒子形成的空隙中间，从而改善线路在较低温度下的导电性。喷墨印刷的电路经200℃烧结后，其导电率在23.6μΩ·cm左右，如图4所示，其可以用于RFID电子标签的制备。
5.发光与显示器件
有机发光二极管(OLED)作为新型的发光与显示器件，与传统主流液晶显示相比，具有显色效果更好、自发光、器件结构简单、视角广、响应快、节能、轻薄、耐低温、抗震、可在柔性衬底上大面積印刷制备等一系列优点，被尊称为新一代“梦幻显示”技术。相比于传统旋涂工艺，使用喷墨印刷的方式制备OLED在像素分辨率、图形精确度和降低生产成本等方面具有明显优势。如图5所示，曹镛院士课题组制备了可喷墨印刷的纳米银墨水和水醇溶性的界面材料聚[9，9-二辛基芴-9，9-双(N，N-二甲基胺丙基)芴](PFNR2)，实现了可全喷墨印刷的显示屏的制备。Lee等通过对基板进行紫外/臭氧等方法处理以控制液滴在基板上的润湿状态，精确对准和多层印刷使得各像素点能够重复多层沉积并控制薄膜的形貌和厚度)。用喷墨打印的方法沉积的PEDOT∶PSS薄膜作为空穴注入层和MEH-PPV作为发光层成功地制备了OLED器件。
挑战与机遇
目前，喷墨印刷因其成本低、环保、印刷分辨率高、可以快速大面积制备等优点，在电子制造领域广泛应用。本文总结了喷墨印刷用功能材料墨水的分类及应用，各种各样的功能材料被制成高性能的功能墨水，通过喷墨印刷制备出各种电子器件，取得了极大的成就。但是喷墨印刷用功能墨水的仍然存在许多问题和机遇。比如，发现的新材料应用到喷墨功能墨水中，对墨水的性能的改变存在者无数的可能;其次，还需要继续提高功能墨水的导电性、导热性以及发光等性能，降低功能墨水的成本也是重中之重;最后，制备的喷墨印刷用功能墨水也要对其溶解性、分散性、黏度、表面张力以及环保性能进行充分考虑。总之，印刷电子市场的无限广大的市场前景以及喷墨印刷的独特优势，喷墨印刷用功能墨水的市场也将随之扩大，应用领域也会越来越宽广。
作者单位：齐鲁工业大学轻工学部印刷与包装工程学院
作者：崔波 孙加振
摘要：在《光电子光电器件实验》课程中，引入菲涅尔理论的应用。把计算机软件的应用与具体实验内容相结合，探索了在实验课程中将基础理论、实践内容、计算机应用三者相结合的教学方法。通过设计与分析高阶菲涅尔透镜的性质，使学生对光电子学的色散等概念有了更全面和深入的理解，培养学生分析问题和处理问题的能力。
关键词：菲涅尔;光电子学;光场分析
《光电子学与光电器件》是一门实践性与应用型很强的课程。学生在学习了光电子学的基本理论知识的同时，还需要通过实验课进一步理解和消化一些基本原理和基本元件，掌握光电子学的基本技能。相应的实验课的建设直接影响学生的培养质量，影响学生今后进行科研的能力，是学科建设的重要内容之一。如何构建课程体系以及在课程中引入相应的知识训练，是一个重要的研究课题。随着光通信系统技术的飞速发展，光学元件的制作工艺也在突飞猛进。菲涅尔透镜作为一种二元光学元件，在制作工艺上有着加工工艺简单、成本低、易于与其他光路集成等优点，在光束整形、光互连、光照明、太阳能利用等方面都有着广泛的应用前景。菲涅尔透镜又叫菲涅尔波带片，是基于光的衍射理论制作的光学元件。根据菲涅尔衍射理论，在对波前进行比较粗糙的分割，组成一些同心圆环，使得到达波前一点的光程相差半个波长，经过振幅叠加可以达到聚焦的目的。为加强学生对波动光学方面基础知识、基本理论和基本技能的理解和掌握，养成用波动理论分析光学问题的思维习惯，了解菲涅尔透镜的设计与分析方法，吉林大学电子科学与工程学院特为本科生开设《光电子学与光电器件》课程这门专业课。
一、几何光学的局限性
因为在日常生活中遇见的有关光的问题绝大多数都属于几何光学的问题，几何光学比较直观，解决问题的方法比较简单，本科生在进行光电子学实验的时候往往习惯于用几何光学的知识去理解激光，思考问题仅仅停留在宏观尺度上。但是几何光学有局限性，除了直线传播定律之外，作为几何光学基础的另外两条定律——反射定律和折射定律，也都只在波长很小的条件下或者在宏观尺度上应用才能成立。几何光学原理的适用范围是有限度的。光电子学实验主要是培养学生用微观的思维去理解光、了解光的波动性。按照几何光学的知识，激光通过凸透镜会聚焦到一点，如果这个点没有大小，此处能量密度将是无穷大，这是不符合科学的，所以，聚焦的焦点处应该为一个焦斑，用几何光学的知识无法计算出此处焦斑的大小及其能量分布情况。实验过程中，可以测的激光焦点最小为光波长量级的光斑，称为埃里斑，能量主要集中在埃里斑的中心，在埃里斑的周围会有光环，其能量分布如图1所示。
学生这种几何光学的思维定势会影响他们对实验结果的分析以及面对问题时所采取的解决方法。为了让学生在现有知识条件下，就能理解解决这一光学问题，从而改变他们这种思维定势，我们在《光电子学与光电器件实验课》引入菲涅尔理论的应用，对实验项目中的实验现象尽可能让学生用波动光学的知识去理解，从而改变学生波动光学的思维习惯。
二、菲涅尔理论
根据菲涅尔理论，波前上每一个点都可以看成一个新的震动中心，它们发出的次波在空间某一点振动的所有次波的相干叠加即为该点的光强。利用公式描述如下：
其中(P)是波面上P点的复振幅，K是比例常数，F是倾斜因子，d∑是面元。
通过这一公式的形式我们可以看出，经过一个复杂的曲面积分，按照理论，可以计算出激光光场中任何一点的光强。但是这个积分计算是非常复杂的，一般的学生很难完成。如果我们的实验课中让学生进行这样枯燥无味的数学计算，不但不能提高学生波动光学的思维习惯，同时还会影响学生的学习兴趣，这与我们实验课培养学生实验技能的宗旨是相违背的。
可以利用上面的公式，不需要复杂的曲面积分，借助于计算机的快速处理能力，设计出一个激光光场分析系统，在比较短的时间内计算出各种光学元件的光场情况，从而让学生用波动光学的知识去理解激光。在利用菲涅尔公式进行光场分析的时候，学生需要了解激光波长、材料折射率、光学元件的形貌等参数，这些都是光电子学中比较重要的概念。
如在进行《氦-氖激光器模式分析》实验项目的时候，学生可以利用光场分析系统模拟出氦氖激光的情况，然后利用CCD等仪器测量实际的模式，经过对比就可以发现两者之间的误差，并进行误差分析。再比如《氦-氖激光器高斯光束与发散角测量》实验项目，可以让学生在分析系统中计算发散角的大小，以及利用最小二乘法对激光光强分布情况进行拟合，对高斯分布情况进行分析，从而让学生对高斯激光有一个更深入的了解，然后利用CCD对高斯激光发散角测试系统进行测试。这一过程对学生来说可以深入强化其对光电子学概念的理解，同时提高他们对光电子学的兴趣。
三、光场分析系统
光场分析系统为我们自主研发的一套分析软件。该软件主要是针对《光电子学与光电器件实验》教学而设计，学生在使用过程中可以自由设计实验系统中各个光学元件的参数。比如，学生可以设置激光波长，不同的波长会根据光的颜色来进行区分;可以任意设定凸透镜的表面形貌，从而可以让学生了解球面透镜与非球面透镜的区别;可以设定高斯光束中能量分布情况，从而可以比较准确地测量高斯光束的发散角等参数;还可以对菲涅尔波带片的聚焦情况进行模拟，同时还可以模拟非对称的椭圆形波带片，这种非对称光学元件在边发射激光器光束整形方面有很大的应用前景。
四、八阶梯相位型菲涅尔透镜设计与分析
根据菲涅尔衍射公式，我们可以设计菲涅尔波带片，每个圆环的半径满足以下公式：
其中，R1为最小圆环的半径。如果我们对前面所提到的波带片每个波带进行划分，根据不同的波带设定不同的光程，可以制作高阶波带片。公式如下：
rm+f=(f+mλ/2)2 (3)
(由于光波长一般较短，我们可以认为mλ<
波带片衍射效率公式为：
当n=2、4、8时，波带片理论衍射效率分别为40.5%，81%，95.1%。为产生相位匹配，必须考虑材料折射率，适当选择每个波带的厚度。
为获得更高的衍射效率，我们设计高阶波带片阵列。当n=8时，波带片理论衍射效率为最高95.1%。为产生相位匹配，必须考虑材料折射率，适当选择每个波带的厚度。厚度公式如下：
其中N为波带片阶数，n为材料折射率，对于n=
1.56的材料，为波带片达到相位匹配，我们设计每层高度为118纳米，一共8层亚波带，半径为18微米，根据公式(4)可以求得该菲涅尔透镜焦距为74微米，模型如下图所示。
然后，我们利用光场分析系统模拟这种菲涅尔透镜的聚焦情况。首先分析主轴上光强分布情况，得到菲涅尔透镜主焦点位置。从图中我们可以看出，主焦点的位置与利用公式获得的主焦点位置比较符合。
然后我们继续分析焦点位置在径向的光场分布情况，获得如下光场能量分布图形与焦点处能量分布情况(图4)。
从图中我们可以看出，实际的聚焦情况与我们分析系统分析出的菲涅尔透镜焦点情况基本完全符合。下图为焦点处光场分布的立体图。
五、总结
光电子学是光学和电学相结合并加以融合的技术领域，相应的实验课在学习光电子学过程中非常重要。本文根据光电子学与光电器件实验课程的特点以及学生在实验过程中所面临的问题，在教学过程中引入菲涅尔理论的应用，设计匹配实验项目的光场分析系统，本文合理采用计算机软件应用作为教学手段，提高授课质量，增加课程设计性实验环节，将实验教学与科研培训相结合，引导学生发现并解决问题。
参考文献：
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作者：牛立刚 贺媛 刘媛媛 张彤
摘要:本课题研发成功了一款具有自主知识产权的集成电路芯片,该集成电路主要用于使用太阳能电池为锂电池充电的领域。其主要功能包括:利用太阳能电池对锂电池进行恒流/恒压充电; 充电的过程中实时监测电池的温度,监测输入/输出电压,以保证安全有效的对电池充电;充电状态自动控制功能;芯片温度调制电路;根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流的功能。该芯片还具有集成度高,应用电路简单等优点。
关键词:锂电池;充电管理集成电路;太阳能电池供电
A Li-ion Cell Charge Management IC Powered by Solar Cells
CHENG Li-li, ZHAO Jian-long, XIONG Yong, JI Hong, ZHANG Wei, ZHENG Yin
(Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology,
Chinese Academy of Science, Shanghai 200050,China)
1 简介
太阳能电池的发展始于上世纪五十年代,最初应用于宇宙开发,航空航天等领域。经过近五十年的发展,无论从发展速度、技术成熟性,还是从应用领域来看,太阳能电池都是新能源中的佼佼者。太阳能电池具有许多优点,比如: 安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无须消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无须架输电线路、可以方便地与建筑物相结合等,这些优点都是其它发电方式所不及的。
太阳能电池作为有潜力的可再生能源,多年来其产量一直以每年10%到25%的增长率在增加,目前主要应用领域包括航空航天、军事以及民用消费品等。
但是太阳能电池并不是一个理想的电源,其输出特性受光照强度和光线频谱等因素影响,输出电流很不稳定,所以太阳能电池不能直接驱动用电装置,而需要将太阳能电池先存储在蓄电池中,然后通过蓄电池为用电装置供电。
本课题的芯片可以利用太阳能电池为锂电池充电,下面详细介绍芯片的研发内容。
2 电路设计
2.1 太阳能电池的I-V特性
太阳能电池一般由p-n结组成,由于p-n结的特性类似于二极管的特性,我们一般以如图1中所示的电路作为太阳能电池特性的一个简化模型。
电流源IPH产生的电流和太阳能电池上接收到的光量度成正比。在实际太阳能电池应用中,并联电阻(RP)的泄漏电流很小,而RS则会产生连接损耗。在没有负载连接的时候,几乎所有产生的电流都流过二极管D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。该电压会因各种类型太阳能电池的特性不同而有所差异。但是,对于大多数硅电池而言,这一电压都在0.5V到0.6V之间,这也是p-n结二极管的正常正向电压。
图2展示了太阳能电池的输出特性。由于串联电阻(RS)的原因,电压会稍有下降。然而,有时如果通过内部二极管的电流太小,会导致偏置不够,并且穿过它的电压会随着负载电流的增加而急剧下降。最后,如果所有电流都只流过负载而不流过二极管,输出电压就会变为零。这个电流被称为太阳能电池的短路电流(ISC)。ISC和VOC都是定义太阳能工作性能的主要参数之一。因此,太阳能电池被认为是“电流限制”型电源。它的输出电压会随着输出电流的增加而降低,并在负载电流达到短路电流时降为零。
由于太阳能电池的输出电流随光照强度的变化而变化,所以一般不能用太阳能电池给用电系统直接供电,一般需要将太阳能电池的能量先存储在蓄电池中,然后通过电池为系统供电。这就要求充电电路能够适应太阳能电池的电压-电流输出特性。
2.2 锂离子电池充电时的线性恒流/恒压控制技术的研究
锂离子电池的充电要求是在电池电压低于4.2V时采用恒定电流模式充电,在电池 电压达到4.2V时采用恒定电压充电模式充电,锂离子电池或锂聚合物电池的充电电压不能超过4.25V,否则将导致过充电现象,轻则影响电池的使用寿命,严重的会导致电池报废或爆炸。所以要求充电芯片的恒压充电电压的典型值在4.2V,其最大误差不超过42毫伏。在我们的设计中,采用电流调制放大器和电压调制放大器分别对充电电流和充电电压进行调制,在电池电压低于4.2V时电流调制放大器主导充电回路;在电池电压达到4.2V时电压调制放大器主导充电回路,其工作原理如图3所示。
图3中,
● M1是P沟道MOS场效应晶体管,用作功率调整管,充电电流通过此功率调整管从输入电压VIN流到电池端BAT。
● R1和R2构成反馈网络,对电池电压进行采样。
● Iamp是电流调制放大器,其功能是将对充电电流进行采样而反馈回来的信号IFB与电流基准信号的误差进行放大,放大后的信号用来调整功率调整管的导通,以稳定充电电流。
● Vamp是电压调制放大器,其功能是将反馈网络输出的信号与电压基准源的误差进行放大,放大后的信号用来调整功率调整管的导通,以达到调制充电电压的目的。
2.3 充电时芯片温度调制技术的研究
对于线性充电器,在充电过程中,由于功率管消耗功率,会使功率管的结温升高,过高的结温将使半导体器件工作不可靠,甚至烧毁半导体器件。线性充电管理芯片的结温可由下面的公式计算出:
TJ =TA+(VIN-VBAT)×ICH×θA
其中,TJ是半导体芯片的结温,
TA是半导体芯片的环境温度,
VIN是输入电压,
VBAT是电池端电压,
ICH是充电电流,
θA是半导体芯片的热阻。
从上面的公式可以看到,当半导体芯片的环境温度比较高,或者输入电压与电池端的电压差比较大,或者充电电流比较大的时候,半导体芯片的结温会有明显的上升。所以在没有对功率管消耗的功率进行控制的情况下,工程师设计充电器时必须根据最坏情况,即最高的芯片环境温度,最大的输入电压与电池端电压差和最低允许的芯片的结温,来设计充电电流,只有这样才能保证系统的可靠性。但是这样的设计对于多数时间工作在通常条件下,而不是最坏条件下的充电器来说,肯定会造成充电电流过低或者系统成本上升,而且如果对最坏情况考虑不充分的话,也会导致充电器工作不可靠。
如果在芯片内部集成有热调制电路,其作用就是通过对功率管消耗的功率进行控制而达到控制芯片的结温的目的,当芯片结温上升到115℃时,内部的热调制电路开始工作,通过调制充电电流,使芯片的温度维持在115℃的恒温状态,这样,即使在最坏情况下,用户也不需担心芯片的温度过高。工程师只要根据通常情况进行设计就可以了,没有必要花费很多时间,精力去考虑最坏情况。
2.4 充电器的状态控制的研究
在芯片工作时,根据输入电压、电池电压及电池温度等因素的具体情况,充电器共有下面几种工作状态:
(1) 涓流充电状态
当电池电压低于3V时,为了激活深度放电的电池和减小功耗,采用涓流充电模式,此时充电电流为所设置的恒流充电电流的十分之一。
(2) 恒流充电状态
当电池电压在3V和4.2V之间时,为了实现快速充电,采用恒流充电模式。
(3) 恒压充电状态
当电池电压达到4.2V时,进入恒压充电模式,此时充电电压不再上升,充电电流逐渐减小。
(4) 充电结束状态
在恒压充电阶段,当充电电流减小到恒流充电电流的十分之一的时候,将进入充电结束状态。在充电结束状态,功率调整管被关断,没有充电电流流向电池,保证了电池的安全。
(5) 电池温度异常状态
锂离子电池和锂聚合物电池的电解液一般在0℃到45℃之间具有最好的活性,在电池温度超出此范围时对电池充电会损害电池的寿命。在充电时需要监测电池的温度,在电池温度超出正常范围时应该停止充电,以保护电池。所以设立电池温度异常状态。
(6) 睡眠状态
当输入电压低于电池电压时,为了避免电流倒灌现象,即电流从电池流向输入电压,需要关断功率调整管,为此设立睡眠状态。在睡眠状态,功率调整管和内部电路被关断,芯片的电流消耗极低。
2.5 充电电流检测技术的研究
在本课题的芯片中,我们采用有源跟踪电流镜技术,将充电电流精确映射到另一小电流回路中,在小电流回路中对充电电流进行调整和监测,这种方法不需要使用几百毫欧姆的电阻,具有精度高,成本低,功耗低和应用电路简单等优点。
2.6 充电电流自动调整技术研究
本课题的芯片内部集成有8位模拟-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流,用户不需要考虑最坏情况,可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流,最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力,非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。
2.7 功能框图
将上述功能模块集成到一起,就得到了本课题的芯片功能框图,如图4所示。
3流片与测试结果
本课题的芯片采用无锡华润上华半导体有限公司的0.5微米B iCMOS工艺制造,该工艺提供高性能的NPN型双极晶体管,可以保证充电器电路的精度。该工艺的低压器件的沟道长度最低为0.5微米,非常适合数字电路部分的高密度布局布线。
本课题的芯片采用散热增强型的8管脚SOP封装和8管脚的DFN封装两种形式。这两种封装对于表面贴装器件,具有占用PCB的面积小,厚度薄的特点,尤其是DFN封装,其外形只有3mm×3mm×0.85mm,而且散热能力极强,可以提供高达1安培的充电电流。
本课题产生两款芯片,这两个应用电路都能独立完成对锂电池充电过程的自动管理,并能根据输入电源的输出电流能力自动调整充电电流,其它功能包括电池温度监测功能和充电器状态指示`等。这两款电路只有封装形式和最大持续充电电流不同,其它完全相同,其典型应用电路图如图5所示。
在25℃温度下芯片的测试结果如表1所示。
4小结
本课题成功地设计了一款具有自主知识产权的集成电路芯片,并应用于使用太阳能电池为锂电池充电的领域。该芯片基于0.5微米BiCMOS工艺,具有集成度高,应用电路简单等优点。它能根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流,并支持一般的锂电池充电管理功能,如恒流/恒压充电,电池温度的实时监测,充电状态自动控制功能等。
流片测试结果表明,该芯片成功地达到了设计指标。
参考文献
[1] 冯显争 李训铭,智能型太阳能充电电路设计,东南大学学报(自然科学版),第38卷,增刊(II)2008年11月
[2] 牛黎明,锂电池在线充放电管理电路的设计,电子技术应用,2002(4)
[3] Scott Dearborn, 锂离子电池充电:充电系统的差异与选择,世界电子元器件,2008(4)
作者：程莉莉 赵建龙 熊勇 纪虹 张为 郑殷
系别：电子信息工程系 班级：光电 08305 班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010 年 4 月 2 日 指导老师：王凌波
2010.4.6
目
录
一、实验目的
二、实验内容
三、实验仪器
四、实验原理
五、注意事项
六、实验步骤
七、实验数据及分析
八、总结
一、实验目的
1、学习掌握硅光电池的工作原理
2、学习掌握硅光电池的基本特性
3、掌握硅光电池基本特性测试方法
4、了解硅光电池的基本应用
二、实验内容
1、硅光电池短路电路测试实验
2、硅光电池开路电压测试实验
3、硅光电池光电特性测试实验
4、硅光电池伏安特性测试实验
5、硅光电池负载特性测试实验
6、硅光电池时间响应测试实验
7、硅光电池光谱特性测试实验
设计实验 1：硅光电池光控开关电路设计实验
设计实验 2：简易光照度计设计实验
三、实验仪器
1、硅光电池综合实验仪
1 个
2、光通路组件
1 只
3、光照度计
1 台
4、2#迭插头对(红色，50cm)
10 根
5、2#迭插头对(黑色，50cm)
10 根
6、三相电源线
1 根
7、实验指导书
1 本
8、20M 示波器
1 台
四、实验原理
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体 PN 结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
图 2-1 是半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当 P 型和N 型半导体材料结合时，由于 P 型材料空穴多电子少，而 N 型材料电子多空穴少，结果 P 型材料中的空穴向 N 型材料这边扩散，N 型材料中的电子向 P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的 P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在 PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当 PN 结 零偏 反偏 正偏 图 2-1.半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强;当 PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为 PN 结的单向导电性,电流方向是从 P 指向 N。
2
硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。
光电池的基本结构如图 2-2，当半导体 PN 结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到 N 型区和 P 型区，当在 PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过 PN 结两端的电流可由式 1 确定
式(1)中 Is 为饱和电流，V 为 PN 结两端电压，T 为绝对温度，Ip 为产生的光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，)
(1
) 1 (pkTeVsI e I I (2)
i pRP I 图 2-2.光电池结构示意图
流过 PN 结的电流 I=Ip;当光电池处于反偏时(在本实验中取 V=-5V)，流过 PN 结的电流 I=Ip-Is，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流 Ip 与输入光功率 Pi 有以下关系：
3
(1) 短路电流
APN结电极AII(a) (b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片
图 2-3 硅光电池短路电流测试
如图 2-3 所示，不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。
(2)开路电压
VPN结电极VII(a) (b)硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片 图 2-4
硅光电池开路电压测试
如图 2-4 所示，不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。
(3) 光照特性
光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们
之间的关系就是光照特性，如图 2-5。
图 2-5 硅光电池的光照电流电压特性
(4)伏安特性
如图 2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。
VA 图 2-6 硅光电池的伏安特性测试
(5)负载特性(输出特性)
光电池作为电池使用如图 2-7 所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大;当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改0.3
0.2
0.1
0
光
生
电
流
/
m
A
0.6
0.4
0.2
0
2 000
4 000
短路电流
开路电压
光
生
电
压
/
V
光照度
/Lx
变负载电阻 RL 的值来测定硅光电池的负载特性。
图 2-7
硅光电池负载特性的测定
在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度(光能量)呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻 RL，输出电流 IL 随照度(光通量)的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载 RL 的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图 2-8 所示。
照度E/lx电流2.4K51010K 图 2-8 硅光电池光照与负载特性曲线
(5) 光谱特性
一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响
应表示，实验中硅光电池的响应范围为 400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图 2-9 所示硅光电池频率特性曲线。
4001200(nm) 800相对响应度1 图 2-9 硅光电池的光谱曲线
(6)时间响应与频率响应
实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从 10%上升到 90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从 90%下降到 10%所需的时间称为下降时间。如图所示
0.10.91t 上t 下t(a)(b) 图 2-10 上升时间和下降时间
(a)入射光脉冲方波(b)响应时间
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1_”是说明超过量程，应更换为合适量程;
2、连线之前保证电源关闭。
3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。
六、实验步骤
1、硅光电池短路电流特性测试
实验装置原理框图如图 2-11 所示。
图 2-11 硅光电池短路电流特性测试
(1)组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
(2)“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
(3)“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
(4)按图 2-11 所示的电路连接电路图
(5)打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中
的光照度值，分别读出电流表读数，填入下表，关闭电源。
光照度(Lx)
0
100
200
300
400
500
600
光 生 电 流(uA)
(6)上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。
(7)实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
2、硅光电池开路电压特性测试
实验装置原理框图如图 2-12 所示。
图 2-12 硅光电池开路电压特性测试
(1)组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
(2)“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
(3)“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
(4)按图 2-12 所示的电路连接电路图
(5)打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。
(4)将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。
光 照 度(Lx)
0
10
20
30
40
50
100
200
300
400
500
600
光 生 电压(mA)
(5)上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。
(6)实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
3、硅光电池光照特性
根据实验 1 和 2 所调试的实验数据，作出如图 2-5 所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。
4、硅光电池伏安特性
实验装置原理框图如图 2-13 所示。
图 2-13 硅光电池伏安特性测试
(1)组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
(2)“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
(3)“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
(4)电压表档位调节至 2V 档，电流表档位调至 200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
(5)按图 2-13 所示的电路连接电路图，R 取值为 200 欧，打开电源顺时针调节照度调节旋钮，增大光照度值至 500lx。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表;
(6)关闭电源，将 R 分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。
(7)改变光照度为 100Lx、300Lx，重复上述步骤，将实验结果填入下表。
100 lx：
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
15K
20K
25K
51K
200K
电流
电压
(8)根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。
(9)实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
5.硅光电池负载特性测试实验
(1)组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
(2)“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为 0。
(3)“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
(4)电压表档位调节至 2V 档，电流表档位调至 200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
(5)按图 2-13 所示的电路连接电路图，R 取值为 2K 欧。
(6)打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至 0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx 分别记录电流表和电压表读数，填入下表
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流
(μA)
电压(mV)
(7)关闭电源，将 R 分别换为 510， 1K， 5.1K， 10K 重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。
R=510 欧
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
电压(mV)
R=1K
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
电压(mV)
R=5.1K
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
电压(mV)
R=10K
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
电压(mV)
(7)根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。
6、硅光电池光谱特性测试
当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度 LED(白、红、橙、黄、绿、蓝、紫)作为光源，产生 400～630nm 离散光谱。
光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长 的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为
) () () (PVv 或) () () (PIi 式中，) ( P为波长为 时的入射光功率;) ( V为光电探测器在入射光功率) ( P作用下的输出信号电压;) ( I则为输出用电流表示的输出信号电流。
本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有
) ( ) ( ffUUK
式中，fU为基准探测器显示的电压值，K 为基准电压的放大倍数，) ( f为基准探测器的响应度。取在测试过程中,fU取相同值,则实验所测测试的响应度大小由) ( ) ( fU 的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。
00.20.40.60.811.20 200 400 600 800 1000 1200 1400 图 2-14
基准探测器的光谱响应曲线
(1)组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
(2)“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“静态特性”，将拨位开关 S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7 均拨下。
(3)将直流电源 2 正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为 10V，关闭电源。
(4)按如图 2-12 连接电路图.
(5)打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将 S2，S3，
S4，S5，S6，S7 拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数 E作为参考。
(注意：请不要同时将两个拨位开关拨上)
(6)S2 拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为 E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将 S2 拨下;
(7)重复操作步骤(6)，分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E 下电压表的读数，填入下表。
(8)根据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。
7、硅光电池时间响应特性测试
(1)组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源调制单元 J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。
(2)“光源驱动单元”的三掷开关 BM2 拨到“脉冲”，将拨位开关 S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7 均拨下。
(3)按图 2-13 所示的电路连接电路图，负载 RL 选择 RL=2K 欧。
波长(nm)
红(630)
橙(605)
黄(585)
绿(520)
蓝(460)
紫(400)
基准响应度
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
电压(mV)
响应度
(4)示波器的测试点应为光电三极管的电阻两端，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的 TP1 和 TP2;
图 2-13
(5)打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接 TP 和 GND(即为输入的脉冲光信号)，用示波器的第二通道接 TP2。
(6)观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录(描绘出两个通道波形)。
(7)缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录(描绘出两个通道的波形)并进行分析。
(8)实验完毕，关闭电源，拆除导线。
七、实验数据及分析
1、硅光电池短路电流特性测试数据
光照度(Lx)
0
100
200
300
400
500
600
光 生 电 流(uA)
0.1 1
16.9 9
33.5 5
50.1 1
66.8 8
83.4 4
100.1
2、硅光电池开路电压特性测试数据
3、硅光电池光照电流电压特性曲线
硅光电池的光照电流电压特性0204060801001200 100 200 300 400 500 600光照度/LX光生电流/uA050100150200250300350400450光生电压/mV
光 照 度(Lx)
0
10
20
30
40
50
100
200
300
400
500
600
光 生 电压(mA)
150 0
263 3
289 9
302 2
312 2
319 9
344 4
368 8
382 2
391 1
398 8
404 4
开路电压 短路电流
4、硅光电池伏安特性测试数据
100 lx：
300lx：
500 lx：
电阻
200
2K
5K
7.5K
10K
20K
50K
200K
电流(uA)
17.1
17.0
17.0
17.0
17.0
14.1
6.5
1.7
电压(mV)
20.6
51.6
104.3
148.4
187.1
270
310
320
电阻
200
2K
5K
7.5K
10K
20K
50K
200K
电流(uA)
50.9
50.8
47.9
38.6
31.9
17.4
7.3
1.9
电压(mV)
61.4
153.7
260
310
320
3 3 36
340
350
电阻
200
2K
5K
7.5K
10K
20K
50K
200K
电流(uA)
84.8
83.9
57.9
42.6
34.4
18.4
7.6
1.9
硅光电池伏安特牲0501001502002503003504004505000 20 40 60 80 100电流(uA)电压(mV)100LX300LX500LX
5、硅光电池负载特性测试数据
R=510 欧
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
0.1
16.7
33.2
50
66.6
83.2
99.8
电压(mV)
0 0
25.5
50.8
76
101
127
152
R=1K
光 照 度 0
100
200
300
400
500
600
电压(mV)
102.2
220
320
340
360
420 0
430 0
430 0
(lx)
电 流(μA)
0.1
16.7
33.2
49.9
66.5
82.9
99.2
电压(mV)
0 0
33.3
66.3
99
132
165
197
R=5.1K
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
0.1
16.6
32.7
45.9
53
56.8
59.2
电压(mV)
1.0
101.1 1
198..3 3
278
321
344
359
R=10K
光 照 度(lx)
0
100
200
300
400
500
600
电 流(μA)
0.1
16.3
27.0
30.7
32.5
33.6
34.4
电压(mV)
2.1
181.9 9
301
341
361
373
382
硅光电池负载特性曲线0501001502002503003504004500 20 40 60 80 100 120电流(uA)电压(mV)510Ω1K10K5.1K
6、硅光电池光谱特性测试数据
八、总结语
波长(nm)
红(630)
橙(605)
黄(585)
绿(520)
蓝(460)
紫(400)
基准响应度
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
电压(mV)
3 3 13
296
291
291
298
303
响应度
一、锂电池概述
锂电池通常分两大类：
锂金属电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
锂离子电池：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
两者差异：虽然锂金属电池的能量密度高，理论上能达到3860瓦/公斤。但是由于其性质不够稳定而且不能充电，所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于具有反复充电的能力，被作为主要的动力电池发展。
通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池(三元镍钴锰)
二.锂电池产业链结构
上游
(1) 正极材料(钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等)
简介：成本占30%，正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。
目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂(三元材料)以及磷酸铁锂。
钴酸锂：研究始于1980 年，20 世纪90 年代开始进入市场。它属于α-NaFeO2型层状岩盐结构，结构比较稳定，是一种非常成熟的正极材料产品，目前占据锂电池正极材料市场的主导地位。但由于其高昂的价格和较差的抗过充电性，使其使用寿命较短，而且钴有放射性，不利于环保，因此发展受到限制。
镍酸锂：氧化镍锂的价格较钴酸锂便宜，理论能量密度达276mAh/g，但制作难度大，且安全性和稳定性不佳。技术上采用掺杂Co、Mn、Al、F 等元素来提高其性能。由于提高镍酸锂技术研究需考察诸多参数，工作量大，目前的进展缓慢。
锰酸锂：锰资源丰富、价格便宜，而且安全性较高、易制备，成为锂离子电池较为理想的正极材料。早先较常用的是尖晶石结构的LiMn2O4，工作电压较高，但理论容量不高，与电解质的相容性不佳，材料在电解质中会缓慢溶解。近年新发展起来层状结构的三价锰氧化物LiMn2O4，其理论容量为286mAh/g，实际容量已达200mAh/g 左右，在理论容量和实际容量上都比LiMn2O4 大幅度提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳定，以及较高工作温度下的溶解问题。
钴镍锰酸锂：即现在常说的三元材料，它融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，在小型低功率电池和大功率动力电池上都有应用。但该种电池的材料之一——钴是一种贵金属，价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大。钴处于价格高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力;但钴处于价格低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小。随着性能更加优异的磷酸铁锂的技术开发，三元材料大多被认为是磷酸铁锂未大规模生产前的过渡材料。
磷酸铁锂：在所有的正极材料中，LiFePO4 正极材料做成的锂离子电池在理论上是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。此外，它在大电流放电率放电(5～10C 放电)、放电电压平稳性、安全性、寿命长等方面都比其它几类材料好，是最被看好的电流输出动力电池。目前A123 公司已能将磷酸铁锂正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒，使颗粒和总表面积剧增，进一步体高了磷酸铁锂电池的放电功率和稳定性。
生产厂家：
国外生产厂商：日亚化学、户旧工业、清美化学、田中化学、韩国L&F、UMICORE、
A123 国内生产厂商：当升科技、杉杉股份、湖南瑞祥、余姚金和、湖南大华、巴莫
科技、天骄科技、北大先行
厂家简介：
湖南杉杉新材料有限公司
从2013年开始湖南杉杉连续三年位居国内正极材料销售量首位，目前产能1.5万吨/年，未来3万吨/年。2015年湖南杉杉上半年实现销售额10.2亿元，实现销售量约8000吨。在销售量的增长中杉杉逐步调整了自身的客户机构，目前的大客户已经涵盖了ATL、比亚迪、力神、LG化学等，加上中小客户的支撑，盈利能力也有所回升。2015年上半年的利润同比增加100%以上，在正极材料行业企业利润率普遍降低的情况下也显示其转型的成功。
北大先行科技产业有限公司
北大先行由东圣投资和北京大学合作于1999年创建成立，位于北京中关村科技园区昌平园，除了电池正极材料外，公司还涉足了电动汽车及储能电池组的研发、生产、销售和服务。北大先行已经形成了北京基础研究、北京工程技术中心、泰安和西宁正极材料生产基地、北京普莱德动力电池组装的新能源电池材料产业链战略格局。2014年北大先行实现销售额7.5亿元，增长幅度达到44%。2015年销售额约10亿元。截止2014年底，产能1.5万吨/年，产品包括钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂。主要客户包括ATL、CATL、力神、光宇、维科等。
湖南瑞翔新材料股份有限公司 是一家专门从事锂离子电池正极材料的研究、开发、生产和销售的高新技术企业。公司成立于2001年，注册资本2.1亿元，拥有国家发明专利及实用发明专利共计30余项，是湖南省首批七十余家通过国家四部委按新标准联合评定的高新技术企业之
一、国家科技支撑计划重点项目和国家“863”计划项目的参与者、“国家级先进储能材料研究中心”的核心成员。2014年营业收入达到14.51亿元，销售量超过12000吨，实现利润9500万。湖南瑞翔目前产能达到1.5万吨/年，产品包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂、氧化钴、三元前驱体、硫酸锰、硫酸钴。
宁波金和新材料股份有限公司
2014年原当升科技创始人白厚善创立的北京容百投资控股有限公司入资宁波金和，宁波金和成为容百投资控股下的企业。容百投资除了控股宁波金和以外，还控股了盐光科技、韩国EMT、韩国TMR等企业，在正极材料回收、前驱体和多元化的正极材料产品类别上进行布局。宁波金和在容百控股中主要承担三元材料前驱体以及三元正极材料、NCA等材料的生产，正极材料总产能9000吨/年，三元前驱体总产能16000吨/年。宁波金和的客户包括三星SDI、LG化学、ATL、CATL、力神等客户。2014年宁波金和的销售收入达到4.1亿元，2015年上半年销售收入达到3.2亿元。
北京当升材料科技股份有限公司
成立于2001年，起源于国务院国资委管理的国家首批创新型中央企业——北京矿冶研究总院。当升科技是一家从事新能源材料研发和生产的高新技术企业，自进入锂电正极材料行业以来，一直保持着良好的发展势头，成为国内率先出口锂电正极材料的供应商，是国内锂电正极材料的龙头企业之一。当升科技正极材料产能：9000吨/年;负极材料产能：6000吨/年。主要客户有比亚迪、比克、力神电池、ATL、三星、SK、LG、三洋、索尼、东芝等。经过多年的努力，公司于2010年4月成功登陆创业板，成为国内唯一一家以锂电正极材料作为主营业务的上市公司。2014年公司正极材料销售收入6.25亿元，毛利润2.24%。2015年上半年销售收入3.41亿元，毛利润2.81%。
(2) 负极材料(碳素材料、锡基、含锂过渡金属氮化物、合金、纳米等) 简介：成本占10%-20%，锂电池负极材料把握动力电池安全性命脉，在锂离子电池负极材料中，除石墨化中间相碳微球(MCMB)、无定形碳、硅或锡类占据小部分市场份额外，天然石墨和人造石墨占据着90%以上的负极材料市场份额。
生产厂家：
国外生产厂商：日立化成、日本碳素、JFE化学、吴宇化学
国内生产厂商：贝瑞特、杉杉股份、长沙海容、青岛大华、星城石墨、宏源碳
素、新乡远东
厂家介绍：
深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司
贝特瑞为中国宝安全资子公司，旗下拥有鸡西贝特瑞、鸡西长源矿业、山西贝特瑞、天津贝特瑞、惠州贝特瑞等子公司。主要客户涵盖三星、LG、日本松下、索尼、ATL、力神、比克、比亚迪、国轩等。负极材料产能30000吨/年。2015年上半年产量12000吨，实现销售收入6.8亿元，同比增长10.62%。 上海杉杉科技有限公司
上海杉杉是杉杉股份的全资子公司，拥有产品系列包括中间相、天然石墨、人造石墨、复合石墨、合金及硬炭等五大系列。石墨负极材料现有产能15000吨/年，在建产能3.5万吨。主要客户有LG、SONY、ATL、力神、比克、比亚迪、光宇等。2015年上半年，实现销售量7197 吨，同比增长 30.90%;实现主营业务收入4.13 亿元，同比上升 11.52%。 湖南星城石墨科技股份有限公司
湖南星城石墨是北京“当升科技”(股票代码300073)与深圳市创新投资集团等投资成立的公司，2014年完成股改，并成功登陆全国中小企业股份转让系统。2015年8月星城石墨正式在新三板股转系统做市。目前公司负极材料产能8000吨，到2015年10月产能将达到10000吨，主要客户有福斯特、比亚迪、苏州星恒、CATL等。2015年上半年公司收入3279.25万元，同比增长30%，净利润424.50万元，同比增长52%。
江西紫宸科技有限公司
紫宸科技成立于2012年12月，是由上海璞泰来新材料技术有限公司、芜湖佳辉投资管理有限公司、上海符禺山投资管理有限公司、上海阔甬投资管理有限公司等共同出资，其中上海璞泰来新材料技术有限公司占主要51%股份。目前公司负极材料产能10000吨，其中容量型锂离子电池负极材料7240吨/年、综合型锂离子电池负极材料2620吨/年;倍率型锂离子电池负极材料140吨/年，未来规划总产能40000吨/年，主要客户是ATL。2015年上半年实现销售收入约1亿元。 深圳市斯诺实业发展有限公司
公司成立于2002年，注册资本3100万元，旗下有深圳市斯诺实业发展有限公司石墨材料分公司，深圳市斯诺实业发展有限公司宝安分公司等两家公司，目前主要从事锂离子电池负极材料(MAG)、改性石墨材料等的研发和生产，产能达到8000吨，主要客户有福斯特、迪凯特等。2015年销售收入约8000万元。 湖州创亚动力电池材料有限公司
公司成立于2009年，注册资本1500万元，主营锂电池负极材料和电解液材料。负极材料包括改性人造石墨、改性天然石墨、复合类石墨、中间相碳微球等四大种类产品。目前公司的负极材料产能5000吨左右，在建产能5000吨/年，未来总产能达10000吨/年，主要客户有光宇、比克等。2015年上半年负极材料营业收入4431万元，利润138.38万元。 江西正拓新能源科技股份有限公司
公司成立于2008年，注册资本5000万元，产品以石墨为主，目前各类石墨材料年产能达3000吨左右，产品涵盖3C电池、动力电池、储能电池等，拥有先进的自动化生产设备，30余名专业人员研发团队，国家专利24项。目前，正拓新能源负极材料年产能7000吨左右，主要客户有深圳华粤宝、中山天贸、宁波维科、深圳比克等。2015年公司负极材料出货量约1500吨左右，实现销售收入约3706万元。
大连宏光锂业股份有限公司
公司成立于2013年11月，是由大连丽昌新材料有限公司与辽宁弘光科技(集团)有限公司重组合并而成，主要产品包括天然石墨类、人造石墨类、复合石墨类、中间相类、动力材料类等，拥有大连和丹东两个生产基地，年产能3500吨(大连1500吨，丹东2000吨)，主要客户比亚迪和比克等。2015年上半年销售收入达3500万元。
湖南摩根海容新材料有限责任公司
湖南摩根海容新材料有限责任公司成立于2004年，注册资本1600万元，2011年由英国碳素陶瓷材料生产商摩根坩埚公共有限公司控股，公司目前供应SKG、MGM、P-RC、CAP、EG、CMS等系列负极材料产品，目前负极材料产能3000吨左右，主要客户万向等。2015年上半年负极材料营业收入约3000万元。 天津锦美碳材科技发展有限公司
公司成立于2007年，注册资本1110.00万元，产品主要是人造石墨负极材料。目前锦美碳材负极材料产能5000吨，主要客户有LG化学、凯丰电子、BAK、神鹿能源、捷威动力等。2015年上半年公司负极材料出货量约700吨左右，实现营业收入约3500万元。
(3) 隔膜：成本占20%-30% 国外生产厂商：日本旭化成、美国Celgand、Exxcon-Tonen、日本宇部
国内生产厂商：沧州明珠、星源材质、金辉高科、新乡格瑞思、山东正华、南
洋科技
(4) 电解液：成本占15% 国外生产厂商：宇部兴产、三菱化学、富山药品、三井化学、韩国三星、森田
化学、关东化学、Suterake 国内生产厂商：江苏国泰、天津金牛、东莞杉杉、广州天赐、新宇邦、多氟多、
九九久、珠海赛玮、北京创亚、汕头金龙、北京化学试剂研究所
下游：电芯、封装
国外生产厂商：Sanyo、Sony、Maxwell、SDI、LGC、AESC、SB Limotive、BEC1
23、
CATL、LEJ 国内生产厂商：比亚迪、德赛电池、合肥国轩、沃特玛、哈光宇、微红动力、北
京国能、苏州星恒、力神、江森自控、比克、万向、中航锂电
三、锂电池产业现状 目前，我国新能源汽车产业正在高速增长的通道中，正是由于其发展迅猛，作为其核心部件的动力电池，近两年来需求缺口也进一步扩大。据来自北汽、江淮、上汽等整车企业的消息，厂家均表示，目前由于动力电池供应不足，已开始影响其新能源整车产量。
除了外资企业，国内比较具有特色的动力电池厂商，如国轩高科动力能源有限公司、天津力神电池股份有限公司、比亚迪汽车公司、亿纬锂能股份有限公司、天能动力公司等，也纷纷大幅加码动力锂电池领域的投资，并在电芯、动力电池组、电池管理系统及储能型电池组等方面积累了一定的技术实力。据不完全统计，2015年我国动力锂电池行业新增投资突破千亿元，在一定程度上促进了我国新能源汽车的发展步伐。
四、锂电池面临挑战
据了解，在今年“3.15”期间，关于新能源汽车消费投诉中，续航里程与宣传不符、充电度数与宣传不符、电池故障导致掉电严重三大问题成为投诉热点。
(1)安全性
电池的安全性制约着电动汽车的安全性。据了解，针对动力电池生命周期当中的稳定性，目前我国做过大量的研究。试验显示，电池在做到900次左右时容易发生电池的热失控问题。电池在正常使用3到4年之后，可能仍旧可以继续使用，电池剩余容量也基本维持在80%以上，但是它的安全性问题以及电池的安全监管和隐患排查问题都值得我们继续关注。 (2)一致性
在一致性方面，在国内电池生产过程中，一些生产工艺参数的要求没有国外企业高，导致产品差异性比较大。重庆长安新能源汽车有限公司总经理任勇表示：“可能国内企业单体的电池质量更好，但整车企业要用的话，还是国外的好。这是因为国外电池的一致性更好，这是关键。”国外厂商动力电池的生产控制点多达上千个，而国内厂商无法达到如此严格的质量控制水平。 (3)未来产能过剩
据了解，由于动力电池需求加大，不少动力电池生产企业看准商机，早已抓紧时间扩充产能。例如，全球动力电池的前三强——松下、LG化学(韩国最大的综合性石化企业)和三星SDI(三星集团在电子领域的附属企业)均已相继在中国投资建厂。三星SDI是选择了和国内发动机活塞环及汽缸套领域排名第一的安徽环新集团合作，其西安工厂于2015年9月建成投产，可年产4万辆纯电动汽车用电池;2015年10月，LG化学在南京的电池工厂竣工，具有年产10万辆新能源汽车电池规模;2015年12月，松下表示将在大连建造电池工厂，预计2017年正式投产，届时每年生产的电池可供20万辆新能源汽车使用。未来新能源电池会出现产能过剩，但行业竞争有利于优胜劣汰，靠创新和品质存活的企业才会有长足的发展。因此，企业要想获得长足的发展，不能忽略质量这根弦。 (4)回收难题有待解决
2016年1月5日，国家发改委、工信部、环保部、商务部、质检总局联合发布《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策(2015年版)》。该政策表明，为落实生产者责任延伸制度，电动汽车生产企业(含进口商)、动力蓄电池生产企业(含进口商)和梯级利用电池生产企业应分别承担各自生产使用的动力蓄电池回收利用的主要责任，报废汽车回收拆解企业应负责回收报废汽车上的动力蓄电池。
但是，回收电池的技术相当复杂，比如在对废旧锂电池的处理上，需要先进行预处理，它包括放电、拆解、粉碎分选、冶炼等步骤。
五、其他信息
众所周知，对铅酸蓄电池消费产生巨大冲击的，除了经济好坏导致的需求变化，更主要的是替代品锂离子电池技术正日渐成熟。
此前因锂电池的价格一直是铅酸电池价格的4-5倍以上，所以替代性并不是很强;但时至今日，低端锂电池的价格以低至铅酸电池价格的3倍以内，而其使用寿命却是铅酸电池的3倍以上，加之重量要比铅酸电池轻很多，携带更为方便，所以竞争力已逐渐显现。
热议许久的铅蓄电池消费税终于落地，财政部、国家税务总局联合下发了《关于对电池涂料征收消费税的通知》，明确提出自2016年1月1日起，对铅蓄电池按4%税率征收消费税。因目前国内铅蓄电池行业利润微薄，行业平均利润仅为3%左右，所以相关企业此前一致强烈反对征收消费税。但随着最终结果的落地，一切已成既定事实，不少企业就悲观的认为，此举可能会成为压垮铅蓄电池行业的“最后一根稻草”!
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