さまざまな材料の電流-電圧曲線の解釈

この記事では、太陽電池、バッテリー、および未知の材料の電流-電圧曲線の測定と解釈に関連するアイデアについて説明します。

この記事では、太陽電池、バッテリー、および未知の材料の電流-電圧曲線の測定と解釈に関連するアイデアについて説明します。

この技術記事では、理想的な線形コンポーネントのI-V曲線を使用して、さまざまな材料を理解および解釈し、それらが電子デバイスとしてどのように使用されるかについて説明します。特に、この記事では、太陽電池、バッテリー、および新素材について説明しています。これらのデバイスがどのように機能するかについては外部参照が提供されますが、この記事ではこれらのデバイスのI-V曲線にのみ焦点を当てます。

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太陽電池のI-V曲線

太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電デバイスです。言い換えれば、それらは光にさらされると発電します。光子半導体材料（太陽電池）に光が当たると、光子からのエネルギーが材料に移動し、自由に動く電荷が生成されます。

負荷抵抗を備えた完成した回路の場合、太陽電池が光にさらされると回路に電流が発生します。太陽電池は電流を生成するため、そのI-V曲線は負荷スイッチングによって得られます。

負荷の切り替えには、電源の両端に接続されたさまざまな抵抗負荷の使用と、デバイスの両端の電圧（電圧計を使用）、およびデバイスを流れる電流（電流計を使用）の測定が含まれます。太陽電池が回路に電流を供給できる範囲を確認するために、負荷スイッチング方式を使用してデバイスのI-V特性を測定します。典型的な曲線を図1に示します。

図1。 固定照明用の太陽電池のI-V測定回路の概略図（上）と太陽電池の典型的なI-V曲線（下）。 $$ I_ {SC} $$は短絡電流、$$ V_ {OC} $$は開回路電圧です。抵抗値が小さい場合、太陽電池は理想的な電流源のように動作する傾向があります。

0オームの抵抗負荷（短絡）の場合、特定の入射照明に対して太陽電池が生成できる最大電流は、短絡電流$$ I_ {SC} $$として知られています。一方、無限オームの抵抗負荷（開回路）の場合、回路には電流が流れませんが、特定の照明に対して太陽電池によって生成される電圧は、開回路電圧$$ V_ {OCと呼ばれます。 } $$。

図1に示す太陽電池のI-V応答から、一般的な太陽電池は、負荷抵抗の値が小さい場合、電流源のように動作する傾向があることがわかります。一方、バッテリーは、次のセクションで説明するように、電圧源のように動作する傾向があります。

バッテリーのI-V曲線

ボルタ電池の集まりである電池は、電気化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。バッテリーは、その化学的構造と組成に基づいて、特定の電圧と容量の定格（A-hr）で評価されます。電池の種類の例としては、ニッケルカドミウム（Ni-Cd）またはリチウムイオン（Li-Ion）があります。

バッテリは電源であるため、バッテリのI-V応答は負荷スイッチングを使用して取得されます。バッテリーのI-V曲線の概略図を図2に示します。

図2。 理想的なバッテリーの負荷スイッチング測定（上）と理想的なバッテリーのI-V曲線、および一般的な実際のバッテリー（下）。実際のバッテリーは、I-V曲線の線形性のため、通常、内部抵抗と直列の理想的なバッテリーとしてモデル化されます。

理想的なバッテリーは、理想的な電圧源のように動作します。まだ完全に機能している実際のバッテリーは、理想的な電圧源のように動作しますが、図2の実線で示すように傾斜があります。

I-V曲線の傾きは抵抗です（理想的なコンポーネントのI-V曲線に関する記事で説明されています）。したがって、実際のバッテリーは、ここで説明するように、内部抵抗と直列の理想的なバッテリーとして表されることがよくあります。太陽電池とバッテリーのI-V特性は原点を通過せず、何らかの形でエネルギーを蓄えていることを示しています。

新素材のI-V曲線

抵抗、コンデンサ、インダクタなどの線形および受動デバイスである理想的なコンポーネントの電流-電圧曲線を見てきました。また、理想的な電圧源や電流源など、電力を供給するアクティブなデバイスについても調べました。

理想的なプロットを使用して、ダイオードやトランジスタなどの非線形のパッシブデバイス、および太陽電池やバッテリーなどのアクティブデバイスのI-V曲線を調べました。ある時点では、ダイオードや太陽電池などのデバイスは不明であり、電流対電圧特性の測定はモデリングの方法でした。 線形コンポーネントを使用するデバイス。 I-V曲線の背後にある基本的な直感を持つことは、エンジニアが材料の新しい用途を発見するのに役立ちます。

このセクションでは、哺乳類で電気パルスを送信するために使用される刺激電極のI-V曲線を見ていきます。記事のこのセクションでは、線形コンポーネントのI-V曲線を使用して、未知のI-V応答を視覚化し、その動作を直感的に理解する方法について説明します。

神経刺激電極

電極 回路の非金属部分と接触する導電性材料です。たとえば、電池は電解質に配置された電極で構成されています。電極に使用される材料を研究するために、電気化学者はサイクリックボルタンメトリーとして知られる測定を実行します。 、これは本質的に電圧掃引法を使用したI-V曲線測定です。

サイクリックボルタンメトリー（CV）プロットは、電気化学反応が最も一般的な電圧を研究する方法です。この点で、CVは電圧スイープが実行されているレートも考慮します。サイクリックボルタンメトリーについて詳しくは、こちらをご覧ください。

電極のI-V曲線の測定セットアップは、通常、3電極システムです。電極は食塩水（NaCl）に入れられ、参照電極と同様に白金対極があります。下の図は、生物学的刺激アプリケーションに使用される酸化イリジウム膜電極のI-V応答、またはサイクリックボルタンメトリープロットの例です。

図3。 塩溶液に入れられた酸化イリジウム電極材料のI-V曲線（青い曲線）。また、コンデンサと抵抗のI-V曲線応答も重ね合わされています。これは、材料が電荷蓄積（ヒステリシス）の容量特性を示すことを示しています

図3のプロットは、酸化イリジウム電極のCV曲線を示しています。抵抗器とは異なり、塩溶液中の酸化イリジウムの電極応答にはコンデンサの特性が組み込まれていることに注意してください。つまり、電荷を蓄積します。この電荷蓄積特性は、他の多くの特性とともに、この材料が生体組織への電荷の注入である生体刺激に使用される理由です。

さまざまな材料のI-V曲線の解釈の概要

デバイス	電源が必要ですか？	I-Vメソッド	一般的に使用されますか？	原点を通過 ？
太陽電池	いいえ	負荷の切り替え	小さな負荷の現在のソース	はい
バッテリー	いいえ	負荷の切り替え	大きな負荷の電圧源	はい
刺激電極	はい	電圧スイープ	コンデンサのように動作し、組織に電荷を注入するために使用されます	いいえ