《太陽電池原理與工藝》課程教學(xué)內(nèi)容選編研究

新余學(xué)院新能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 劉堅

0 引言

太陽電池發(fā)電是一種利用太陽能的較好方式[1,2]，近年來國內(nèi)外太陽電池生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)[3,4]。新余市是國家新能源科技示范城，擁有賽維LDK、瑞晶等大型太陽電池企業(yè)。新余學(xué)院較早開設(shè)了光伏材料專業(yè)，《太陽電池原理與工藝》是該專業(yè)的一門必修課程。筆者在這幾年教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，目前理想的《太陽電池原理與工藝》課程的適用教材還十分稀少，使用的教學(xué)參考書主要有《太陽能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》[5]《太陽電池：材料、制備工藝及檢測》[6]《太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》[7]《太陽能原理與技術(shù)》[8]《太陽能光伏電池及其應(yīng)用》[9]《光電池及其應(yīng)用》[10]，它們大都包括太陽電池原理和太陽電池工藝內(nèi)容。由于這些書的完成時間不同，太陽電池生產(chǎn)工藝和研究成果的內(nèi)容不同，內(nèi)容的側(cè)重點也不同：有的偏重原理、有的偏重工藝，也有的偏重高效太陽電池、太陽電池研究進展及世界光伏發(fā)電概況介紹等。為了促進光伏人才的培養(yǎng)，筆者從《太陽能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》和《太陽電池：材料、制備工藝及檢測》兩本參考書中選取部分內(nèi)容作為該課程的教學(xué)內(nèi)容。

1 選編內(nèi)容研究

1.1 《太陽能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》選編內(nèi)容研究

《太陽能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》共有14章，前5章內(nèi)容為太陽電池原理，后9章內(nèi)容為硅和化合物半導(dǎo)體太陽電池結(jié)構(gòu)、性能、制作工藝，以及光伏組件、光伏系統(tǒng)和住宅、電力光伏系統(tǒng)。前5章為選編內(nèi)容：第1章介紹太陽電池的發(fā)展概況、太陽電池生產(chǎn)及研究現(xiàn)狀、太陽電池發(fā)展趨勢；地球上太陽光的物理來源，太陽光和地球相對位置、夾角，太陽常數(shù)，太陽光在地球上各地的輻照強度及我國太陽光分布強度和日照時間；太陽的視運動。這些內(nèi)容對學(xué)生掌握光伏組件的安裝和了解光伏電站的選址具有理論指導(dǎo)意義。

第2章介紹幾種光伏材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶概念、載流子在能級上分布、本征半導(dǎo)體載流子濃度、摻雜半導(dǎo)體成鍵模型、施主和受主雜質(zhì)電離、摻雜半導(dǎo)體中載流子濃度和費米能級、載流子的漂移和擴散等。這些內(nèi)容是太陽電池工作原理的基礎(chǔ)內(nèi)容。

第3章介紹半導(dǎo)體對光的吸收和反射，直接半導(dǎo)體和間接半導(dǎo)體，光照作用下載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、雜質(zhì)能級中的復(fù)合及表面缺陷復(fù)合等幾種復(fù)合，泊松方程、電流密度方程、連續(xù)性方程等。這部分內(nèi)容對學(xué)生掌握影響太陽電池效率因素和太陽電池的電學(xué)原理具有重要意義。

第4章介紹太陽電池核心部位——p-n結(jié)，介紹p-n結(jié)的形成，結(jié)中空間電荷區(qū)電荷分布，載流子的注入，準(zhǔn)中性區(qū)載流子的擴散流，太陽電池的暗特征、光照特征，太陽電池的短路電流和開路電壓的推導(dǎo)過程，太陽電池的填充因子，太陽電池效率等。這些內(nèi)容是太陽電池原理的核心內(nèi)容。

第5章介紹影響太陽電池效率的因素及太陽電池的效率極限。影響太陽電池的效率因素有光的吸收和反射、表面電極對太陽光的遮擋、載流子的復(fù)合、載流子的躍遷能和帶隙寬度存在差異、太陽電池本身的漏電、光伏材料晶體在結(jié)區(qū)存在缺陷、雜質(zhì)引起內(nèi)部漏電、電極消耗的電能等。這些內(nèi)容為設(shè)計制作高效太陽電池提供了理論指導(dǎo)，是學(xué)生今后從事太陽電池研究必不可少的內(nèi)容。

6～14章不適合作為太陽電池工藝教學(xué)內(nèi)容，原因是既無現(xiàn)代太陽電池生產(chǎn)工藝內(nèi)容，也幾乎無高效太陽電池制作技術(shù)和硅薄膜太陽電池內(nèi)容。因此，把上述5章作為選編教學(xué)內(nèi)容的第1～5章。

1.2 《太陽電池：材料、制備工藝及檢測》選編內(nèi)容的研究

《太陽電池：材料、制備工藝及檢測》共6篇18章內(nèi)容。1～3章主要介紹太陽電池原理，4～16章內(nèi)容為有關(guān)晶體硅的生產(chǎn)、晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝、高效太陽電池制作技術(shù)、硅薄膜太陽電池生產(chǎn)工藝、化合物半導(dǎo)體太陽電池、有機/聚合物太陽電池、染料敏化太陽電池等。17、18章為光伏組件、商業(yè)及空間太陽電池性能測試與評價。

第4～10章主要介紹多晶硅和單晶硅的生產(chǎn)、太陽電池的生產(chǎn)工藝、高效太陽電池的結(jié)構(gòu)及性能、硅薄膜太陽電池、硅片的檢測、太陽電池性能測試等。這些內(nèi)容作為太陽電池工藝部分，雖然內(nèi)容合適，但各章節(jié)存在混雜重復(fù)內(nèi)容。如在第5章，既有太陽電池生產(chǎn)工藝內(nèi)容，又有高效太陽電池內(nèi)容，而第7～8章中也出現(xiàn)高效太陽電池的內(nèi)容；再如，第6章硅薄膜太陽電池、第9章非晶硅太陽電池和第10章微晶硅太陽電池，應(yīng)屬于硅薄膜太陽電池，但被拆成3章介紹。

筆者對第4～10章內(nèi)容作一些調(diào)整。將第4章“單晶硅和多晶硅的生產(chǎn)”作為選編內(nèi)容的第6章“多晶硅的生產(chǎn)和非切片技術(shù)”。第5章內(nèi)容為晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝、光伏組件和高效太陽電池，將晶硅太陽電池和光伏組件作為選編內(nèi)容的第7章“多晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝和光伏組件”；第5章高效太陽電池部分并入原教材第7、8章，共同作為選編內(nèi)容的第8章“高效太陽電池”。第6章“硅薄膜太陽電池”、第9章“非晶硅太陽電池”和第10章“微晶硅太陽電池”，從太陽電池制備材料相態(tài)、制備工藝、結(jié)構(gòu)、性能等方面看，這幾章都屬于硅薄膜太陽電池。因此，將這些內(nèi)容編成一章，作為選編內(nèi)容的第9章“硅薄膜太陽電池”。第7章還介紹了硅片及器件的表征和診斷，這是檢測太陽電池質(zhì)量的內(nèi)容，因此，將它們單獨選出，作為選編內(nèi)容的第10章“硅片的檢測及太陽電池性能的表征”。原教材第10章后其余章節(jié)的內(nèi)容可供有興趣的學(xué)生閱讀參考，不作選編教學(xué)內(nèi)容。

2 研究結(jié)果及討論分析

2.1 選編的教學(xué)內(nèi)容

第1章“太陽電池和太陽光”：1.1 引言；1.2太陽電池發(fā)展概況；1.3 陽光的來源和太陽常數(shù)；1.4太陽的視運動；1.5 直接輻射和漫射輻射；1.6地球表面的日照強度和日照常數(shù)。

第2 章“半導(dǎo)體的特性”：2.1 引言；2.2 晶體結(jié)構(gòu)和取向；2.3 禁帶寬度；2.4 允許能態(tài)的占有率；2.5 電子和空穴及其動力學(xué)；2.6 允許態(tài)的能量密度、載流子密度；2.7 IV族半導(dǎo)體的鍵模型及其第III和VI族的摻雜劑；2.8 載流子濃度；2.9 摻雜半導(dǎo)體中費米能級；2.10 載流子傳輸 (2.10.1 漂移；2.10.2 擴散 )。

第3章“產(chǎn)生、復(fù)合及器件物理學(xué)的基本方程”：3.1 引言；3.2 光的吸收(3.2.1 直接半導(dǎo)體；3.2.2 間接半導(dǎo)體；3.2.3 其他吸收過程)；3.3 復(fù)合過程(3.3.1 從弛豫到平衡；3.3.2 輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、陷阱復(fù)合和表面復(fù)合)；3.4 半導(dǎo)體器件物理學(xué)的基本方程。

第4章“p-n結(jié)二極管”：4.1 引言；4.2 p-n結(jié)的靜電學(xué)；4.3 結(jié)電容；4.4. 載流子注入；4.5準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴散流；4.6 暗特征；4.7 光照特性；4.8 太陽電池的輸出參數(shù)；4.9 有限電池尺寸對I0的影響。

第5章“效率的極限、損失和測量”：5.1 引言；5.2 效率的極限 (5.2.1 概要；5.2.2 短路電流、開路電壓和效率；5.2.3 黑體電池的效率極限)；5.3溫度的影響；5.4 效率的損失(5.4.1 短路電流損失；5.4.2 開路電壓損失；5.4.3 填充因子損失)；5.5 效率的測量。

第6章“多晶硅的生產(chǎn)和非切片技術(shù)”：6.1現(xiàn)代多晶硅生產(chǎn)技術(shù)；6.2 晶硅的生產(chǎn)(6.2.1 多晶硅摻硼定向凝固生長；6.2.2 直拉法生產(chǎn)單晶硅)；6.3 電磁連續(xù)鑄造和區(qū)熔法生產(chǎn)多晶硅；6.4晶硅的切片、規(guī)格和特性；6.5 非切片技術(shù)。

第7 章“多晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝和光伏組件”：7.1 引言；7.2 多晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝(7.2.1硅片的腐蝕、織構(gòu)化和限光；7.2.2 硅片的清洗；7.2.3 摻雜制結(jié)；7.2.4 前表面鈍化和減反射涂層工藝；7.2.5 絲網(wǎng)印刷技術(shù)；7.2.6 背結(jié)觸的形成；7.2.7硅片質(zhì)量的改進)；7.3 光伏組件的結(jié)構(gòu)和材料。

第8章“高效太陽電池”：8.1 高效太陽電池開發(fā)原理、技術(shù)；8.2 空間高效太陽電池；8.3 地面高效太陽電池(8.3.1 MINP太陽電池、PESC太陽電池；8.3.2 背面點接觸太陽電池；8.3.3 PERL太陽電池)；8.4 埋柵太陽電池；8.5 HIT太陽電池。

第9章“硅薄膜太陽電池”：9.1 引言；9.2硅薄膜太陽電池的陷光；9.3 提高硅薄膜太陽電池的電壓；9.4 硅薄層沉積和晶體生長；9.5 襯底減薄的硅薄膜太陽電池；9.6 硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)；9.7 非晶硅和微晶硅太陽電池概念、制作技術(shù)；9.8 PECVD制備硅薄膜技術(shù)；9.9 氫化非晶硅——a-Si:H；9.10 a-Si:C:H制作技術(shù)；9.11 光致退化；9.12 非晶硅太陽電池的生產(chǎn)；9.13 非晶硅太陽電池的發(fā)展趨勢。

第10章“硅片的檢測及太陽電池性能的表征”：10.1 引言；10.2 硅片少子壽命的測量；10.3硅片電阻的測量；10.4太陽電池開路電壓、短路電流和載流子壽命關(guān)系；10.5晶硅太陽電池I-V特性測量和效率的測量。

2.2 討論分析

2.2.1 太陽電池參考書中內(nèi)容選擇的分析

本文所選編的教學(xué)內(nèi)容是筆者從前期教學(xué)所使用的較熟悉的教學(xué)參考書《太陽能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》和《太陽電池：材料、制備工藝及檢測》中選取，因此，本文研究結(jié)果只是一個初步選編結(jié)果。引言部分所列出的其他4本教學(xué)參考書盡管成書時間不同，但由于太陽電池原理理論成熟較早，所以，這部分內(nèi)容也可從它們中再選編，它們的其他內(nèi)容也各有特色和優(yōu)點。例如，《太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》內(nèi)容豐富、原理和工藝介紹全面深入，體系編排結(jié)構(gòu)清晰合理，語言使用科學(xué)規(guī)范，是一本供從事太陽電池生產(chǎn)和科研人員使用的很好的參考書。所以，在保持章節(jié)體系不變的前提下，后續(xù)的研究將會從它們中比較分析選取內(nèi)容，取代已選編的內(nèi)容或增加內(nèi)容。

2.2.2 太陽電池教學(xué)內(nèi)容選擇的分析

本文選編的《太陽電池原理與工藝》教學(xué)內(nèi)容既有原理內(nèi)容也有工藝內(nèi)容。有關(guān)太陽電池工藝內(nèi)容的選擇進行如下分析：晶硅太陽電池是已產(chǎn)業(yè)化的最成熟、最多的太陽電池，因此，有關(guān)它的內(nèi)容選擇較多。硅薄膜太陽電池雖然光電轉(zhuǎn)換效率比晶硅太陽電池要低，但它生產(chǎn)成本比晶硅太陽電池低，在現(xiàn)代光伏企業(yè)的生產(chǎn)中依然存在，因此對硅薄膜太陽電池教學(xué)內(nèi)容也作了精心的選編。高效太陽電池是科研單位和企業(yè)研發(fā)的熱點，因此，也選編了相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。太陽電池性能測試是學(xué)生今后從事光伏工作和研究需必備的技術(shù)，也作了選編。

本文選編的教學(xué)內(nèi)容是為開設(shè)《太陽電池原理與工藝》這門課的本科教學(xué)嘗試選編的，符合教學(xué)大綱教學(xué)時數(shù)為64節(jié)的要求(見表1)。

表1 教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)時數(shù)安排

由于教學(xué)時數(shù)的限制，以及太陽電池原理和硅材料太陽電池教學(xué)內(nèi)容是學(xué)習(xí)其他太陽電池的基礎(chǔ)，因此，無機化合物膜薄太陽電池、有機/聚合物太陽電池、染料敏化太陽電池等內(nèi)容不選作本課程教學(xué)內(nèi)容，有興趣學(xué)生可以自學(xué)。

3 結(jié)束語

筆者從已使用過的教學(xué)參考書中初步選取了《太陽電池原理與工藝》課程教學(xué)內(nèi)容并將它們進行了歸類整理。選編的內(nèi)容較豐富，內(nèi)容編排結(jié)構(gòu)體系更為清晰完整，消除了原有參考書重復(fù)混雜現(xiàn)象，符合教材的特點。選編的教學(xué)內(nèi)容對當(dāng)前本、?？崎_設(shè)《太陽電池原理與工藝》這門課的教學(xué)具有一定的參考價值。后續(xù)的研究將在章節(jié)體系不變的前提下，從其他參考書中選取內(nèi)容，取代或增加原有的已選編的教學(xué)內(nèi)容，使選編內(nèi)容更加合理完善，以適應(yīng)光伏人才培養(yǎng)的需要。

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