다양한 재료의 전류-전압 곡선 해석

이 기사에서는 태양 전지, 배터리 및 미지의 물질의 전류-전압 곡선을 측정하고 해석하는 데 관련된 아이디어에 대해 설명합니다.

이 기사에서는 태양 전지, 배터리 및 알려지지 않은 물질의 전류-전압 곡선을 측정하고 해석하는 것과 관련된 아이디어에 대해 설명합니다.

이 기술 문서에서는 다양한 재료를 이해하고 해석하기 위해 이상적인 선형 구성 요소의 I-V 곡선을 사용하고 전자 장치로 사용하는 방법에 대해 설명합니다. 특히, 이 기사는 태양 전지, 배터리 및 신소재를 다룹니다. 이러한 장치의 작동 방식에 대한 외부 참조가 제공되지만 이 기사에서는 이러한 장치의 I-V 곡선에만 초점을 맞출 것입니다.

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전류-전압 곡선 이해

비선형 장치의 전류-전압 곡선 이해

태양 전지의 I-V 곡선

태양 전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 장치입니다. 즉, 빛에 노출되면 전력을 생성합니다. 광전지 반도체 재료(태양 전지)에 빛이 떨어지면 광자의 에너지가 재료로 이동하여 자유롭게 움직이는 전하를 생성합니다.

부하 저항이 있는 완성된 회로의 경우 태양 전지가 빛에 노출되면 회로에 전류가 생성됩니다. 태양 전지는 전류를 생성하기 때문에 I-V 곡선은 부하 스위칭에 의해 얻어진다.

부하 전환에는 전원에 연결된 서로 다른 저항 부하를 사용하고 장치 전체의 전압(전압계 사용)과 전류계(전류계 사용)를 측정하는 작업이 포함됩니다. 태양 전지가 회로에 전류를 제공할 수 있는 정도를 보기 위해 부하 스위칭 방법을 사용하여 장치의 I-V 특성을 측정합니다. 일반적인 곡선은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1. 고정 조명용 태양 전지용 I-V 측정 회로의 개략도(위)와 태양 전지의 일반적인 I-V 곡선(아래). $$I_{SC}$$는 단락 전류이고 $$V_{OC}$$는 개방 회로 전압입니다. 작은 저항 값의 경우 태양 전지는 이상적인 전류원처럼 작동하는 경향이 있습니다.

저항 부하가 0옴(단락)인 경우 주어진 입사 조명에 대해 태양 전지가 생성할 수 있는 최대 전류를 단락 전류 $$I_{SC}$$라고 합니다. 다른 극단에서 무한 옴(개방 회로)의 저항 부하의 경우 회로에 전류가 흐르지 않는 반면, 주어진 조명에 대해 태양 전지에 의해 생성된 전압은 개방 회로 전압 $$V_{OC }$$.

그림 1에 표시된 태양 전지의 I-V 응답에서 일반적인 태양 전지는 더 작은 값의 부하 저항에 대해 전류 소스처럼 동작하는 경향이 있음을 알 수 있습니다. 반면에 배터리는 다음 섹션에서 볼 수 있듯이 전압원처럼 작동하는 경향이 있습니다.

배터리의 I-V 곡선

볼타 셀의 집합체인 배터리는 전기화학 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 배터리는 화학적 구조 및 구성에 따라 특정 전압 및 용량 정격(A-hr)에 대해 평가됩니다. 배터리 유형의 예로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 또는 리튬-이온(Li-Ion)이 있습니다.

배터리가 전원이기 때문에 배터리의 I-V 응답은 부하 스위칭을 사용하여 얻습니다. 배터리의 I-V 곡선의 개략도는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 이상적인 배터리의 부하 스위칭 측정(상단) 및 이상적인 배터리와 일반 실제 배터리(하단)의 I-V 곡선. 실제 배터리는 일반적으로 I-V 곡선의 선형 특성 때문에 내부 저항과 직렬로 연결된 이상적인 배터리로 모델링됩니다.

이상적인 배터리는 이상적인 전압원처럼 작동합니다. 여전히 완전히 작동하는 실제 배터리는 이상적인 전압 소스처럼 작동하지만 그림 2의 실선과 같이 기울기가 있습니다.

I-V 곡선의 기울기는 저항입니다(I-V Curves of Ideal Components에 대한 기사에서 설명). 따라서 실제 배터리는 여기에 설명된 대로 내부 저항과 직렬로 연결된 이상적인 배터리로 표현되는 경우가 많습니다. 태양 전지와 배터리의 I-V 특성은 원점을 통과하지 않아 일종의 에너지를 저장하고 있음을 나타냅니다.

신소재의 I-V 곡선

우리는 저항, 커패시터 및 인덕터와 같은 선형 및 수동 장치인 이상적인 구성 요소의 전류-전압 곡선을 보았습니다. 또한 이상적인 전압 소스 및 전류 소스와 같은 전원을 공급하는 능동 장치도 살펴보았습니다.

이상적인 플롯을 사용하여 다이오드 및 트랜지스터와 같은 비선형 수동 장치와 태양 전지 및 배터리와 같은 능동 장치의 I-V 곡선을 살펴보았습니다. 한때 다이오드 및 태양 전지와 같은 장치는 알려지지 않았고 전류 대 전압 특성을 측정하는 것이 모델링의 한 방법이었습니다. 선형 구성 요소를 사용하는 장치. I-V 곡선에 대한 기본적인 직관력이 있으면 엔지니어가 재료의 새로운 용도를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 섹션에서는 포유류에서 전기 펄스를 보내는 데 사용되는 자극 전극의 I-V 곡선을 살펴보겠습니다. 기사의 이 섹션에서는 선형 구성요소의 I-V 곡선을 사용하여 미지의 I-V 응답을 시각화하고 그것이 어떻게 작동하는지 직관하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.

신경 자극 전극

전극 회로의 비금속 부분과 접촉하는 전도성 물질입니다. 예를 들어, 배터리는 전해질에 전극을 넣어 구성됩니다. 전극에 사용되는 재료를 연구하기 위해 전기화학자들은 순환 전압전류법으로 알려진 측정을 수행합니다. 이것은 본질적으로 전압 스위프 방법을 사용하는 I-V 곡선 측정입니다.

순환 전압전류법(CV) 플롯은 전기화학 반응이 가장 널리 퍼져 있는 전압을 연구하는 방법입니다. 이와 관련하여 CV는 전압 스윕이 수행되는 속도도 고려합니다. 여기에서 순환 전압전류법에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

전극의 I-V 곡선에 대한 측정 설정은 일반적으로 3전극 시스템입니다. 전극은 염용액(NaCl)에 넣고 백금 상대 전극과 기준 전극이 있습니다. 아래 그림은 생물학적 자극 응용 분야에 사용되는 산화이리듐 필름 전극의 I-V 응답 또는 순환 전압전류법 플롯의 예입니다.

그림 3. 염 용액에 넣은 이리듐 산화물 전극 물질의 I-V 곡선(파란색 곡선). 또한 커패시터와 저항의 I-V 곡선 응답이 중첩됩니다. 이것은 재료가 전하 저장(히스테리시스)의 용량 특성을 나타냄을 보여줍니다.

그림 3의 플롯은 이리듐 산화물 전극의 CV 곡선을 보여줍니다. 저항기와 달리 염 용액에서 이리듐 산화물의 전극 응답은 커패시터의 특성을 포함합니다. 즉, 전하를 저장합니다. 이 전하 저장 특성은 다른 많은 물질과 함께 이 물질이 생물학적 조직에 전하를 주입하는 생물학적 자극에 사용되는 이유입니다.

다양한 재료의 I-V 곡선 해석 요약

기기	전원이 필요합니까?	I-V 방법	일반적으로 사용되는 이름	원점 통과 ?
태양 전지	아니요	부하 전환	작은 부하에 대한 현재 소스	예
배터리	아니요	부하 전환	대용량 부하를 위한 전압 소스	예
자극 전극	예	전압 스윕	조직에 전하를 주입하는 데 사용되는 커패시터처럼 작동합니다.	아니요