wxAMPS軟件在“光伏材料學(xué)”中的應(yīng)用初探

曾 濤，馮詩樂，陳云霞，常啟兵

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403)

0 引言

“光伏材料學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容可概括為四大塊知識(shí):光伏材料性能、制備工藝、器件工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。筆者通過該課程首輪教學(xué)發(fā)現(xiàn)，太陽能電池工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這類知識(shí)的介紹，學(xué)生應(yīng)當(dāng)具有一定的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)。其中，器件工作原理多以微分方程進(jìn)行描述，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)既乏味又困難;而對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)試環(huán)節(jié)，學(xué)生由于條件限制更是無法隨堂體驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高。

如何在32個(gè)有限學(xué)時(shí)內(nèi)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于四大塊知識(shí)的融會(huì)貫通，加深學(xué)生對(duì)太陽能電池的理解和掌握，成為“光伏材料學(xué)”定位于本科層次教學(xué)改革的一個(gè)突出課題。

wxAMPS是在著名的太陽能電池模擬軟件AMPS-1D的源代碼基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)重寫的一款全新太陽能電池模擬軟件，它可以模擬多種結(jié)構(gòu)的太陽能電池[1]。與AMPS-1D相比，該軟件擁有直觀的用戶圖形界面以及快捷的參數(shù)輸入，非常適合本科層次學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)操作，圖形化輸出的模擬結(jié)果可為課堂器件分析教學(xué)提供多樣教學(xué)素材。

筆者在總結(jié)首輪教學(xué)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在次輪課堂教學(xué)過程中結(jié)合課本相關(guān)內(nèi)容，以wxAMPS使用軟件為課堂授課載體，在傳統(tǒng)的單一的課堂講授法授課模式中引入演示法和討論法教學(xué)模式，利用該軟件對(duì)不同種類光伏材料及對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)講解和剖析，根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)學(xué)生評(píng)估材料制備工藝、器件設(shè)計(jì)的合理性。其結(jié)果是學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到充分的調(diào)動(dòng)，收到了良好的教學(xué)效果。

1 課堂演示法教學(xué)

我們根據(jù)課堂授課內(nèi)容，查閱了相關(guān)方面的文獻(xiàn)資料，收集了一系列的課堂演示實(shí)例?，F(xiàn)以a-Si太陽能電池講解為例，簡單說明wxAMPS軟件作為輔助教學(xué)手段如何完成“光伏材料學(xué)”四大塊知識(shí)的教學(xué)實(shí)施過程。

1)a-Si太陽能電池器件結(jié)構(gòu)講解

太陽能電池能否正常工作，其結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，當(dāng)然結(jié)構(gòu)的確定也是模擬過程的第一步驟。如常見的a-Si太陽能電池為p-i-n典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，即先在TCO襯底上沉積p型a-SiC窗口層，再沉積i型a-Si:H本征層，最后再分別沉積n型a-Si和背電極。教師可以多媒體動(dòng)畫的形式在課堂上再現(xiàn)a-Si太陽能電池中每層沉積順序，以加深學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)的印象。

2)材料制備工藝、性能講解

當(dāng)太陽能電池結(jié)構(gòu)確定后，教師可以根據(jù)所確定的結(jié)構(gòu)對(duì)電池器件中每層半導(dǎo)體材料進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)等性能進(jìn)行介紹，并給出典型的特征值，如吸收p-i-n各層的光學(xué)帶隙和介電常數(shù)等。我們結(jié)合相關(guān)的制備工藝手段，如PECVD(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積)等，講解工藝參數(shù)的調(diào)控對(duì)半導(dǎo)體材料性能的影響。

3)電池工作原理講解

我們結(jié)合太陽能電池結(jié)構(gòu)和相關(guān)材料的特性，利用前置課程“半導(dǎo)體物理學(xué)”中相關(guān)的器件能帶結(jié)構(gòu)知識(shí)對(duì)電池的工作原理進(jìn)行剖析，使學(xué)生掌握a-Si太陽能電池中非平衡載流子的產(chǎn)生和輸運(yùn)過程。接著以點(diǎn)帶面總結(jié)出太陽能電池的工作實(shí)質(zhì)就是電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和分離過程，做到授課內(nèi)容深入淺出。

在完成以上3個(gè)部分的講解后，學(xué)生對(duì)a-Si太陽能電池從材料性質(zhì)、制備工藝、器件結(jié)構(gòu)到工作原理四大塊知識(shí)有了一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。授課教師可以在講臺(tái)上用多媒體終端將上述所講的結(jié)構(gòu)和相關(guān)的材料性能參數(shù)輸入到模擬軟件中。當(dāng)完成所有參數(shù)設(shè)置以后，便可運(yùn)行程序得到典型參數(shù)條件下的模擬結(jié)果供課堂分析講解。輸入展示過程實(shí)際上也是學(xué)生再次復(fù)習(xí)的過程。

2 課堂討論法教學(xué)

為了拓展課堂教學(xué)內(nèi)容，可在其后設(shè)置對(duì)應(yīng)的討論教學(xué)環(huán)節(jié)，討論教學(xué)可以對(duì)課堂中的學(xué)生進(jìn)行分組(4～6人為一組)，每組配有一臺(tái)筆記本電腦(自帶)。討論教學(xué)以問題的形式導(dǎo)入。對(duì)于a-Si太陽能電池來說，可以設(shè)置以相關(guān)問題讓學(xué)生自行模擬，通過模擬結(jié)果給出合理解釋，如:

(1)i層作為a-Si太陽能電池的吸收層，其厚度對(duì)電池的輸出性能的影響如何[2]?

(2)a-Si太陽能電池為什么是p-i-n結(jié)構(gòu)的，而不能像體晶硅太陽能電池一樣做成簡單的p-n結(jié)形式[3]?

這兩個(gè)問題的設(shè)置是層層遞進(jìn)的關(guān)系，學(xué)生通過簡單的改變i層厚度參數(shù)可以得到一系列的電池性能模擬輸出參數(shù)，根據(jù)對(duì)比得到i層厚度擁有一個(gè)最佳值。而i層厚度為零時(shí)(即p-n結(jié)構(gòu))，學(xué)生通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)此時(shí)電池的伏安特性曲線呈現(xiàn)電阻特性，說明a-Si太陽能能電池不能做成p-n結(jié)形式。學(xué)生通過自己親自模擬得到問題的答案后，會(huì)對(duì)所得結(jié)論印象加深。隨后，教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生從材料性能和電池器件結(jié)構(gòu)角度對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析，以鞏固前期教學(xué)成果。如果上述兩個(gè)問題學(xué)生能夠很好解決，那么學(xué)生通過整個(gè)課堂教學(xué)過程不僅掌握了基礎(chǔ)知識(shí)，而且還提高了分析能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新潛力。

3 課后作業(yè)布置

課后的作業(yè)布置內(nèi)容可以讓學(xué)生根據(jù)課堂教學(xué)演示過程，課后去模擬其它參數(shù)對(duì)a-Si太陽能電池輸出性能的影響，如環(huán)境溫度，照射光強(qiáng)度，p、n層的厚度與摻雜量，金屬電極材料的選用、利用其它材料替換電池結(jié)構(gòu)中某層材料或者n-i-p倒置結(jié)構(gòu)等等。學(xué)生可通過模擬結(jié)果來評(píng)估參數(shù)輸入及結(jié)構(gòu)的合理性，并根據(jù)所學(xué)知識(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行定性解釋，這樣既可熟悉光伏材料的制備工藝方向，又可提高器件設(shè)計(jì)能力。授課教師應(yīng)及時(shí)進(jìn)行課后跟蹤，選擇合適時(shí)間對(duì)學(xué)生自行無法解決的疑惑問題進(jìn)行輔導(dǎo)和答疑。

4 結(jié)語

上述所提實(shí)例教學(xué)僅僅是wxAMPS軟件在“光伏材料學(xué)”課程輔助教學(xué)應(yīng)用中的一例。授課教師通過該教學(xué)案例的啟示進(jìn)行發(fā)散，對(duì)不同種類的光伏材料及其標(biāo)準(zhǔn)電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬演示，如傳統(tǒng)的c-Si、CIGS、CdTe太陽能電池，或先進(jìn)電池如 HIT電池、量子點(diǎn)電池和染料敏化太陽能電池等。wxAMPS軟件的引入體現(xiàn)了理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)一體化思想，實(shí)現(xiàn)了該課程四大塊知識(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)的并軌，增加師生之間互動(dòng)交流，活躍課堂氣氛、激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的渴求。此外，教師可以指導(dǎo)學(xué)生在課堂或課余實(shí)踐嘗試在現(xiàn)有的光伏材料所對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生在該領(lǐng)域的創(chuàng)新精神，為學(xué)生今后的相關(guān)行業(yè)的就業(yè)及專業(yè)深造打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

[1]劉一鳴，孫云，Angus Rockett.新型太陽電池模擬軟件-wx-AMPS[J].北京:太陽能，2013，03

[2]姚若河，鄭家華.非晶硅太陽能電池i層厚度優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，12(24)

[3]楊德仁.太陽能電池材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2006版