氧化铜太阳能电池制作方法

【专家解说】：一、 所需器材: 铜片、肥皂(清洁剂)、食盐、水、量杯、天平、三脚架、陶瓷纤维网、酒精灯、 三用电 表、鳄鱼夹、直尺、螺旋测微器。 二、实验步骤: 1.裁好所需尺寸大小的铜片两片，并以肥皂清洗，去除表面油污。 2.将铜片乾燥后，以酒精灯加热铜片，直到铜片表面全部变黑 3.将加热好的铜片(氧化铜)静置冷却。 （注意：氧化铜极易脱落，冷却时应避免移动或触碰） 4.调配好所需浓度的食盐水溶液500mL。 5.将铜片与氧化铜片浸入食盐水中适当深度，并以鳄鱼夹固定后，以电线分别连接三用电表 之正负极。 6.将步骤五之实验装置置於阳光下，并注意将黑色的氧化铜面正向阳光 肆、研究方法 1. 实验一：食盐水浓度的影响 控制变因:反应物在液面下的面积（12.5cm2）、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 ) 与厚薄、铜片加热为氧化铜的时间(30分钟) 、实验开始时间(中午12:30)。 操纵变因:食盐水浓度(5%、10%、15%) 应变变因:输出电流的大小。 2. 实验二：反应物在液面下面积的影响 控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )与厚薄、铜片加热 为氧化铜的时间(30分钟) 、实验开始时间(中午12:30)。 操纵变因:反应物在液面下的面积（12.5cm2、6.25cm2）。 应变变因:输出电流的大小。 3. 实验三：铜片厚薄的影响 控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、铜片加热为氧化 铜的时间(30分钟) 、反应物在液面下的面积( 12.5 cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。 操纵变因:铜片厚薄（0.1mm、0.05mm） 应变变因:输出电流的大小。 4. 实验四：铜片的大小的影响 控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的厚薄、铜片加热为氧化铜的时间 (30分钟) 、反应物在液面下的面积(12.5 cm2 、18 cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。 操纵变因:铜片大小 ( 5*5cm2 、6*6cm2 ) 应变变因:输出电流的大小。 5. 实验五：电解液种类的影响 控制变因:电解液浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、厚薄、铜片加热 为氧化铜的时间(30分钟) 、反应物在液面下的面积(12.5 cm2 )、实验开始时间 (中午12:30)。 操纵变因:电解液种类（食盐水、硫酸铜水溶液） 应变变因:输出电流的大小。 6. 实验六：不同金属片的影响 控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、厚薄、金属片加 热的时间(30分钟) 、反应物在液面下的面积( 12.5cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。 操纵变因:不同金属片（铜片、铝片） 应变变因:输出电流的大小。 7. 实验七：铜片燃烧的时间 控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、厚薄、反应物在 液面下的面积( 12.5 cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。 操纵变因:金属片加热的时间（30分钟、1小时）。 应变变因:输出电流的大小。 伍、研究成果与讨论 (1) 实验一：食盐水浓度的影响 开始时间:民国九十二年三月三日中午12:30 表1-1食盐水浓度15% 时间(分) 0 26 48 53 69 72 93 150 电流(mA) 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 表1-2食盐水浓度10% 时间(分) 0 18 26 59 74 77 106 142 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.65 0.55 0.5 0.45 表1-3食盐水浓度5% 时间(分) 0 25 47 75 86 94 117 156 电流(mA) 0.75 0.7 0.65 0.6 0.5 0.55 0.45 0.4 当食盐水浓度15%时，电池最大电流有0.7mA；而食盐水浓度10%时，电池最大电流有 0.80mA；食盐水浓度5%时，电池的最大电流0.75mA。也就是说，食盐水浓度太大，反而形 成输出电流的阻力（食盐水溶液中导电粒子碰撞的机率增高）因此，在以下的实验中，我们 决定采用食盐水浓度10%为最佳。另外，值得一提的是，食盐水溶液会逐渐变为淡绿色，我 们认为可能是铜绿所造成的。 (2) 实验二：反应物在液面下面积的影响 开始时间:民国九十二年三月二日中午12:30 表2-1浸入面积:12.5(cm2) 时间(分) 0 13 39 43 56 60 67 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 表2-2浸入面积:6.25(cm2) 时间(分) 0 2 5 8 20 44 65 电流(mA) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 当铜片与氧化铜片浸入食盐水中的面积达一半时，电池最大电流有0.8mA；当铜片与氧 化铜片浸入食盐水中的面积达四分之一时的最大电流0.45mA。所以，我们认为反应物在液面 下面积越大所产生的电流也就越大。 (3) 实验三：铜片厚薄的影响 开始时间:民国九十二年三月四中午12:30 表3-1 较厚铜片 (厚度0.5mm) 时间(分) 0 26 48 53 69 72 93 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 表3-2 较薄铜 片(厚度 1mm) 时间(分) 0 13 39 43 56 60 67 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 当较薄铜片反应时,电池最大电流0.8(mA)；换上较厚的铜片 ,最大电流亦是0.8mA。显示 出铜片的厚薄并非影响输出电流大小的主要变因。 (4) 实验四：铜片的大小的影响 开始时间:民国九十二年三月五日中午12:30 表4-1 铜片的大小 :36 cm2 时间(分) 0 12 15 75 107 121 150 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 表4-2 铜片的大小 :25 cm2 时间(分) 0 12 55 84 112 147 163 电流(mA) 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 我们发现以面积36cm2的铜片为电极的电池,电流0.8mA；而以25㎝2的铜片为电极的 电池，电流0.65mA。这项结果与讨论（二）意义相同，而「太阳能电池需要大面积来产生较 大的电流」在此亦可得到验证。 (5) 实验五：电解液种类的影响 开始时间:民国九十二年三月六中午12:30 表5-1电解液:食盐水(10%) 时间(分) 0 3 14 27 41 87 122 电流(mA) 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 表5-2电解液:硫酸铜水溶液(10%) 时间(分) 0 13 44 57 77 90 120 电流(mA) 0.1 0.05 0 0.05 0 0 0 我们用硫酸铜水溶液和食盐水来比较，发现以硫酸铜水溶液为电解液的电池最大电流只 有0.1（mA）而以食盐水为电解液的电池最大电流有0.55（mA），为什麼硫酸铜溶液最大电 流会那麼小？我们想可能是因为负极的氧化铜片和硫酸铜水溶液中的铜离子（Cu+2）活性相 近，不利於溶液中离子的导电，电流也小。所以，电解液的种类是影响电池电流的重要因素 之一。 (6) 实验六：不同金属片的影响 开始时间:民国九十二年三月七中午12:30 表6-1金属片:铜片 时间(分) 0 26 48 53 69 72 93 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.55 0.5 0.45 表6-2金属片:铝片 时间(分) 0 26 48 60 75 90 120 电流(mA) 0.1 0.05 0 0 0 0 0 我们使用了铜片和铝片，发现以铜片为电极的电池最大电流是0.80（mA）；以铝片为电 极的电池最大电流只有0.10(mA)。我们想，有可能是选用铝片作为电极时，并不适合以食盐 水溶液作为电解液；也有可能铝片本身就不适合作为太阳能电池的电极。 (7) 实验七：铜片燃烧的时间 开始时间:民国九十二年三月八中午12:30 表7-1 铜片燃烧的时间(1小时) 时间(分) 0 2 4 32 41 63 84 电流(mA) 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 表7-2铜片燃烧的时间(30分钟) 时间(分) 0 26 48 53 69 72 93 电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 铜片燃烧时间为一小时,最大电流有0.70mA,可是当铜片燃烧时间三十分钟，最大电流有 0.80mA。可见在制作氧化铜片时，虽然加热愈久，产生的氧化铜愈多，但可能因温度过高， 反而导致生成的黑色的氧化铜更易脱落，真正附著於铜片表面的氧化铜较少，所以，电池的 电流不增反减。因此，铜片燃烧时间最好设定在三十分钟。 陆、结论 （一） 本实验在日照下，由负极氧化铜片上的光电效应所产生之电子，配合铜片作为正极以 及电解液（食盐水）的导电，可对外输出电流0.8mA（本次实验的最大电流）。若在室内 或阳光不充足的地方，本实验装置亦可产生约0.1mA的电流，不过此时的电流应该是氧化 还原反应所产生的，而且负极是铜片，正极为氧化铜。所以，本实验装置的确是属於太阳 能电池的一种。 （二） 本实验的优点是取得材料容易，而在适当的条件下，诸如：日照充足、以浓度10％的 食盐水作为电解液，置於食盐水面下的铜片与氧化铜片面积愈大愈好，加热铜片以三十分 钟较佳，实验所得的电流较为可观。 （三） 本实验有两点可供改良之处： （1）氧化铜片常容易在拿取或实验的过程中脱落，可在氧化铜表面以一层透明胶带黏 著，以避免造成输出电流减少或导致实验产生较大的误差。 （2）加热铜片可以用烤箱来取代，不仅加热较为均匀，烤箱亦可以设定时间长短与热源 强度，增加实验准确度。 柒、参考文献 1. 自然科学知识文库 ，台北市，北一出版，1978。 2. 科学教授 ，台北市，故乡出版，1981。 3. 电池组与能源系统，尔泰曼著，张桐生译，台北市，徐氏出版，1989。 4. 普通物理学（第四册），Harris Benson著，张洁仪、郑宜男译，台北，状元出版社，1992。