wxAMPS仿真軟件在應(yīng)用型本科“薄膜太陽(yáng)能電池”課程中的應(yīng)用

楊希峰　況亞偉　張德寶　劉玉申　錢斌

摘要：“薄膜太陽(yáng)能電池”是我校新能源科學(xué)與工程專業(yè)重要的專業(yè)課程之一，具有知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)合度高、知識(shí)點(diǎn)更新迅速、實(shí)踐性與應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式偏重公式推導(dǎo)，學(xué)生普遍感覺(jué)比較抽象，理解難度較大。為了體現(xiàn)應(yīng)用型本科高校的特點(diǎn)，培養(yǎng)具有持續(xù)學(xué)習(xí)能力的專業(yè)型人才，教研組引入基于wxAMPS仿真軟件的教學(xué)方法，介紹了該軟件的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)設(shè)置一個(gè)綜合工程案例展示了該教學(xué)方法在本課程中的應(yīng)用，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的理解和應(yīng)用能力，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽(yáng)能電池；wxAMPS；應(yīng)用型本科

中圖分類號(hào)：G426 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）44-0146-03

一、引言

近年來(lái)，光伏新能源產(chǎn)業(yè)成為江蘇省新興產(chǎn)業(yè)中優(yōu)先發(fā)展的重要高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之一，主要包括硅材料、太陽(yáng)能玻璃、電池背膜、光伏逆變器等領(lǐng)域，全省擁有光伏企業(yè)600多家，從業(yè)人員12萬(wàn)人，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。無(wú)錫尚德、常州天合、中電電氣、江蘇林洋、CSI阿特斯、江蘇中能、江陰浚鑫和華盛天龍8家企業(yè)在境外上市，銷售排名全球前20強(qiáng)中江蘇有5家。2010年全省光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值1988億元，同比增長(zhǎng)81%，晶硅電池產(chǎn)量占全國(guó)的55%以上。隨著其產(chǎn)業(yè)鏈的完善和價(jià)值鏈的提升，逐步成為國(guó)家光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重要支點(diǎn)之一。光伏新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量高，產(chǎn)品附加值大，產(chǎn)業(yè)升級(jí)快，需要大量有能力從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)開(kāi)拓、產(chǎn)品測(cè)試以及設(shè)備維護(hù)等方面的光電工程技術(shù)應(yīng)用人才，對(duì)具有懂得光學(xué)、材料、電子電路、半導(dǎo)體物理等多方面專業(yè)知識(shí)的復(fù)合型人才需求較大。

目前以商品化的晶體硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高，但受材料純度和制備工藝限制，成本高，很難再提高轉(zhuǎn)化效率或降低成本。硅基薄膜太陽(yáng)能電池只需幾的厚度就能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，是降低成本和提高光子循環(huán)的理想材料，我校面向該專業(yè)本科生三年級(jí)開(kāi)設(shè)“薄膜太陽(yáng)能電池”作為專業(yè)必修課，設(shè)理論課32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課16學(xué)時(shí)，旨在通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使本專業(yè)的學(xué)生能夠加深對(duì)光照下半導(dǎo)體中的基本物理現(xiàn)象、概念、基本原理的理解；掌握有關(guān)薄膜太陽(yáng)能電池測(cè)試儀器及裝置的結(jié)構(gòu)、原理、使用；掌握對(duì)光伏領(lǐng)組件評(píng)價(jià)和系統(tǒng)測(cè)量的基本技能，從而提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[1，2]。

如何培養(yǎng)高級(jí)工程光學(xué)類技術(shù)人才，如何將課程中比較抽象、復(fù)雜的光學(xué)問(wèn)題，比如硅基半導(dǎo)體的能帶、PN結(jié)的形成過(guò)程、摻雜濃度對(duì)PN結(jié)位置的影響、光生載流子的壽命、器件IV輸出特性與負(fù)載之間的關(guān)系等物理問(wèn)題，在抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式之外幫助學(xué)生深刻理解其中的物理內(nèi)涵和工程應(yīng)用，成為教研組對(duì)課程進(jìn)行改革的方向[3，4]。

目前，該課程的實(shí)驗(yàn)安排時(shí)間較少，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的限制，有些實(shí)驗(yàn)很難開(kāi)展，通過(guò)參考兄弟高校在這方面的經(jīng)驗(yàn)、方法及成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)一些分立知識(shí)點(diǎn)的編程設(shè)計(jì)，使學(xué)生逐步加深學(xué)生對(duì)于薄膜電池的結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)、物理參數(shù)的直觀認(rèn)識(shí)；通過(guò)綜合案例的實(shí)踐，可以啟發(fā)學(xué)生思考PN結(jié)深度、摻雜種類、環(huán)境溫度等工程因素對(duì)器件效率的影響機(jī)制，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[5]。

二、wxAMPS仿真平臺(tái)

軟件模擬硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，模擬軟件作為理論研究的工具，可以使理論先行，使數(shù)學(xué)物理模型建立并應(yīng)用于具體材料研究，再以更細(xì)致的實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)理論的正確性，并不斷完善理論。

目前比較流行的應(yīng)用于光伏研究的太陽(yáng)電池模擬軟件有PC1D、ASA、AMPS、AFORS-HRT、SCAPS等。由于研究太陽(yáng)電池所用材料不同或者針對(duì)研究的電池性能不同，各模擬軟件針對(duì)不同的研究方向會(huì)建立不同的物理模型，以及不斷地改進(jìn)算法以優(yōu)化計(jì)算，所以會(huì)造成適合模擬的太陽(yáng)電池類型不同，軟件性能也會(huì)有差異[6，7]。

wxAMPS的前身是著名的太陽(yáng)電池模擬軟件AMPS-1D，該軟件是由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)FonashS教授等開(kāi)發(fā)，優(yōu)化了太陽(yáng)電池在能帶存在大量缺陷時(shí)的模擬，適用于銅銦鎵錫、非晶硅等太陽(yáng)電池的模型。但是，因?yàn)榻咏?0年時(shí)間沒(méi)有重要的軟性更新，所以它逐漸跟不上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的人性化特點(diǎn)，以及在計(jì)算速度等方面大大落后于新型軟件[5]。

（1）載流子擴(kuò)散—漂移模型是AMPS選用的基本物理模型，但該軟件未考慮隧穿效應(yīng)。

（2）AMPS軟件使用Newton-Laplace法，計(jì)算量大，耗費(fèi)計(jì)算資源，而且對(duì)計(jì)算初值比較敏感，有時(shí)甚至無(wú)法收斂。

（3）AMPS用戶界面設(shè)30層材料輸入為上限，無(wú)法支持精度更高的太陽(yáng)電池模擬研究。

模擬操作步驟分為三步：

第一步，設(shè)定電池的環(huán)境參數(shù)，有溫度、電池復(fù)合率等。光譜、偏置電壓和量子效率參數(shù)在軟件中有已設(shè)置好的參數(shù)文件，可以直接選中打開(kāi)，也可自己編輯想要的參數(shù)，保存后選中打開(kāi)。

第二步，依照自己的電池模型逐層設(shè)置材料的參數(shù)。在對(duì)話窗中分別有電學(xué)參數(shù)Electrical、缺陷參數(shù)Defect、光學(xué)參數(shù)Optical、高級(jí)參數(shù)Advanced設(shè)置，可以依據(jù)材料資料輸入相關(guān)的半導(dǎo)體物理參數(shù)，如介電常數(shù)Permittivity、禁帶寬度Eg、電子親和勢(shì)Affinity、施主濃度Nd、受主濃度Na等。程序可以輸入任意層數(shù)的材料，并支持單層材料參數(shù)保存，也可以從軟件中直接載入以往保持的材料模型。

第三步，點(diǎn)擊運(yùn)行（Run），得到模擬結(jié)果。在模擬計(jì)算過(guò)程中可以中斷，程序會(huì)保存中途計(jì)算的結(jié)果并支持查看。而運(yùn)算結(jié)果以直觀的數(shù)據(jù)表、圖像形式給出，即J-V曲線（IV）、能帶圖（Energy Band）、量子效率（QE）、電流（Current）、電場(chǎng)（Elec Field）、載流子壽命（Life time）等，還有增加了3個(gè)動(dòng)態(tài)條以比較電池在不同電壓、串并聯(lián)電阻情況下特性的變化。

三、基于wxAMPS的教學(xué)實(shí)踐

（一）分立知識(shí)點(diǎn)教學(xué)舉例——單結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池的IV特性

單PN結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種薄膜電池，器件以P型硅為襯底，之上設(shè)置n型層和減反層、表面電極，背面設(shè)置背電極，其工作原理為PN結(jié)構(gòu)成內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)光生多子和光生少子進(jìn)行分離，并利用電極引出。

傳統(tǒng)的課堂講述往往給定單結(jié)結(jié)構(gòu)，講解每層結(jié)構(gòu)在器件工作狀態(tài)下的作用，并將IV曲線和短路電流、開(kāi)路電壓等參數(shù)靜態(tài)展示，這種方法很難解釋p型和n型摻雜濃度對(duì)器件輸出特性的影響，也很難讓學(xué)生理解硅基襯底厚度對(duì)器件效率的影響。此外，由于學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體物理知識(shí)也不夠熟悉，沒(méi)有建立起能帶的概念，往往覺(jué)得課堂理論記住了，但對(duì)于效率與摻雜工藝之間的聯(lián)系還沒(méi)有建立起概念。將wxMPS引入課程，如圖2所示，教師可以對(duì)外部光照、溫度偏壓進(jìn)行設(shè)置，其中AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜是指晴朗天氣下，太陽(yáng)光透過(guò)大氣層路徑距離為大氣層厚度的1.5倍時(shí)的太陽(yáng)光譜，一般情況下，太陽(yáng)天頂角為48.19°；另外加上298K即25℃的條件，即滿足了硅基薄膜太陽(yáng)電池在電性能測(cè)試中的規(guī)定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

利用模擬軟件，可以靈活設(shè)置半導(dǎo)體的摻雜深度和摻雜濃度，通過(guò)計(jì)算曲線輸出，學(xué)生可以清楚的看到短路電流、開(kāi)路電壓、填充因子等光伏特性參數(shù)，并可以通過(guò)能帶圖掌握半導(dǎo)體摻雜工藝對(duì)器件特性的作用機(jī)理；通過(guò)改變襯底厚度，可以對(duì)電池的輸出特性進(jìn)行調(diào)控，如圖3所示。

（二）綜合案例教學(xué)舉例——溫度對(duì)硅基薄膜電池效率的影響

根據(jù)理論模型，圖4及圖5分別計(jì)算了單晶硅和非晶硅電池在270K～330K溫度范圍內(nèi)的電池輸出特性參數(shù)，對(duì)wxAMPS軟件的Ambient參數(shù)設(shè)置界面的light為AM_1.5G 1 sun.spe，同界面上的bias voltages設(shè)置為L(zhǎng)Ight0_0.4_1.vol，而在setting界面上采用Intra-band Tunneling帶內(nèi)隧穿方式進(jìn)行晶硅電池模擬實(shí)驗(yàn)。

以上設(shè)置計(jì)算后得到溫控條件下硅基薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的模擬結(jié)果，并利用軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，結(jié)果表明硅基薄膜太陽(yáng)能電池的溫度變換系數(shù)為-0.3766/K。

利用wxAMPS軟件平臺(tái)的仿真，可以更加靈活快速的讓學(xué)生掌握溫度對(duì)半導(dǎo)體能級(jí)的作用機(jī)理，進(jìn)而對(duì)器件特性產(chǎn)生影響，對(duì)教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題從理論、時(shí)間的高度得到了解決。同時(shí)，在仿真的過(guò)程中極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也對(duì)學(xué)生今后在工作中可能會(huì)遇到的實(shí)踐問(wèn)題給予了預(yù)研。

四、結(jié)語(yǔ)

將wxAMPS引入“薄膜太陽(yáng)能電池”課程主要利用計(jì)算機(jī)與薄膜太陽(yáng)能電池原理相結(jié)合，以面向新能源科學(xué)與工程應(yīng)用型教學(xué)的需要，通過(guò)教研組對(duì)于基本知識(shí)點(diǎn)和綜合案例的實(shí)施，形象直觀地展示了不同電池結(jié)構(gòu)的光伏特性參數(shù)和能帶結(jié)構(gòu)，可以幫助學(xué)生更加深刻地理解硅基PN結(jié)薄膜電池的工作原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給學(xué)生深入研究問(wèn)題提供了有效的手段，對(duì)目前課程教學(xué)中偏重理論、求多求全、與企業(yè)脫節(jié)的情況進(jìn)行了較大的改善，對(duì)課程中難點(diǎn)和重點(diǎn)的學(xué)習(xí)起到了很好的輔助作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋力，趙丹平，柴俊霖，劉占峰.應(yīng)用型專業(yè)課程研究型教學(xué)模式的探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，（04）：54-55，59.

[2]段培永.應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的研究性教學(xué)模式探析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（04）：440-443，450.

[3]錢國(guó)英，馬建榮，林怡.本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位與教學(xué)組織設(shè)計(jì)——浙江萬(wàn)里學(xué)院的實(shí)踐[J].中國(guó)高教研究，2010，（01）：84-86.

[4]劉一鳴，孫云，Angus Rockett.新型太陽(yáng)電池模擬軟件——wxAMPS[J].太陽(yáng)能，2013，（03）：20-24.

[5]馬玉龍，張靜，邵健，況亞偉，劉玉申.研究性教學(xué)在太陽(yáng)能電池測(cè)試課程中的實(shí)踐[J].科教文匯（上旬刊），2016，（01）：40-41.

[6]鐘建，顧可可，于軍勝，吳援明，黃江.薄膜太陽(yáng)能光伏器件工藝制備及測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，（06）：183-185，228.

[7]王育飛，李海霞，薛花，楊興武.基于MATLAB仿真的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)案例研究[J].中國(guó)電力教育，2014，（23）：13-14，18.