“太陽能電池原理與技術(shù)”課程的教學(xué)研究

沈 玲,張 倫，李明雪

(中國礦業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

2010年，國家和教育部為適應(yīng)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢而設(shè)立新能源材料與器件專業(yè)，隨后有二十多所高校陸續(xù)開設(shè)了該專業(yè)[1]。作為把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，太陽能電池是該專業(yè)一個(gè)重要的方向。圍繞太陽能電池的上，中，下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展而成的光伏產(chǎn)業(yè)，近年來作為國家重點(diǎn)支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)也得到蓬勃發(fā)展[2-3]。因此，光伏產(chǎn)業(yè)對太陽能人才的需求一直居高不下。近年來，隨著諸多歐洲國家陸續(xù)取消光伏補(bǔ)貼，光伏企業(yè)面臨更加激烈的市場競爭。為了提高產(chǎn)品的競爭力，這些企業(yè)對相關(guān)從業(yè)人員的專業(yè)水平提出了更高的要求。因此，為了提高學(xué)生就業(yè)時(shí)的競爭力和就業(yè)后解決實(shí)際問題的能力，非常有必要進(jìn)行太陽能電池課程的教學(xué)研究。但是，光伏產(chǎn)業(yè)作為一種新興產(chǎn)業(yè)，涉及到的知識(shí)點(diǎn)比較多，對學(xué)生的要求比較高。

本文通過對這門課程的研究，希望實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)：既能形象生動(dòng)，深入淺出地講解太陽能電池相關(guān)的物理、材料、化學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，為學(xué)生建立堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；又能提供大量的電池實(shí)例，讓學(xué)生掌握太陽能電池材料制備和參數(shù)優(yōu)化等實(shí)際技能，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力，為將來的工作提供重要積累。同時(shí)我們還會(huì)利用PVlighthouse的在線軟件資源建立基于PC1D模擬軟件和等效電路編輯器的資源庫[4-5]，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，也能參與到實(shí)踐環(huán)節(jié)，激勵(lì)學(xué)生在其已掌握的知識(shí)框架內(nèi)對各類電池進(jìn)行深度分析，進(jìn)而掌握在每一種電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置背后的理論依據(jù)和技術(shù)路線。

1 內(nèi)容編排研究

《太陽能電池原理與技術(shù)》課程基本上包括兩部分內(nèi)容：一是太陽能電池原理；二是各種類型的電池技術(shù)。這兩部分既緊密相關(guān)又有明顯不同，缺一不可。所以，我們按照 1∶1 安排兩部分教學(xué)的學(xué)時(shí)，并根據(jù)各自特點(diǎn)而采用不同的教學(xué)方法。選取合適的教材是至關(guān)重要的第一步。我們調(diào)研的參考書包括《太陽能電池：材料、制備工藝及檢測》《光伏電池原理及應(yīng)用》《太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》《太陽能電池物理》《太陽能原理與技術(shù)》《太陽能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》和《太陽能光伏電池及其應(yīng)用》等[6-12]。它們的內(nèi)容大都包括太陽能電池原理和工藝技術(shù)，但由于面向的對象不同，內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)也有差別。換句話說，還沒有一份適合物理學(xué)院非光伏專業(yè)學(xué)生的理想教材。因此，自編講義顯然更加方便。編寫講義的過程中，考慮到該專業(yè)的學(xué)生缺少半導(dǎo)體物理和器件的背景知識(shí)，太陽能電池原理這部分內(nèi)容主要參考《半導(dǎo)體物理學(xué)》[13]及《光伏電池原理及應(yīng)用》，而太陽能電池技術(shù)這部分內(nèi)容則主要參考《太陽能電池：材料、制備工藝及檢測》中的部分內(nèi)容和一些最新的太陽電池的科技文獻(xiàn)。在太陽能電池原理的部分，依次介紹半導(dǎo)體能帶理論、摻雜、費(fèi)米能級、本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體、載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、載流子的輸運(yùn)、非平衡載流子、復(fù)合理論、半導(dǎo)體PN結(jié)和太陽能電池基本原理。在太陽能電池技術(shù)的部分，介紹晶體硅太陽能電池、薄膜電池、聚光電池、有機(jī)太陽能電池、染料敏化太陽能電池等，涵蓋了《光伏電池原理及應(yīng)用》第四章至第十一章的大部分內(nèi)容，并補(bǔ)充了《太陽能電池：材料、制備工藝及檢測》中的部分內(nèi)容和鈣鈦礦太陽電池的最新科技文獻(xiàn)[14-15]。

2 太陽能電池原理的互聯(lián)網(wǎng)融合式教學(xué)研究

電池原理這部分涉及到內(nèi)容編排提及的內(nèi)容，共計(jì)5章。這些內(nèi)容的理論性強(qiáng)，又涉及大量公式。詳細(xì)推導(dǎo)所有公式進(jìn)行講解，既枯燥又耗時(shí)，學(xué)生很難接受。另一方面，如果僅用flash動(dòng)畫或圖示的方法進(jìn)行簡單的物理描述，又很難讓學(xué)生深入理解太陽能電池的器件物理，難以明白表面背后的物理依據(jù)從何而來。因此，在教學(xué)中，我們借助互聯(lián)網(wǎng)工具和技術(shù)進(jìn)行融合式教學(xué)，豐富學(xué)生的課堂體驗(yàn)。具體操作上采用物理描述、數(shù)學(xué)公式和軟件模擬計(jì)算三者相結(jié)合的方法。首先對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行定性的物理描述，然后給出相關(guān)公式并進(jìn)行定量的解釋，最后用PC1D軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，讓學(xué)生通過直觀感受建立清晰的物理圖像。下面將以具體實(shí)例說明該教學(xué)方法及其優(yōu)點(diǎn)。

眾所周知，半導(dǎo)體PN結(jié)是太陽能電池的核心結(jié)構(gòu)，掌握半導(dǎo)體PN結(jié)的形成過程及特性對掌握太陽能電池的工作原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要作用。我們在教學(xué)中首先用flash動(dòng)畫演示了PN結(jié)的形成過程，接下來介紹耗盡層、內(nèi)建電場和內(nèi)建電勢差等概念。然后給出PN結(jié)中載流子濃度、內(nèi)建電場和內(nèi)建電勢差的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并簡要地解釋公式的由來和意義。學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對這么多名詞和公式只能做到一知半解。所以，我們采用PC1D軟件模擬計(jì)算的方法將硅的基本參數(shù)代入到公式中，進(jìn)而畫出PN結(jié)的載流子濃度、電場強(qiáng)度和能帶曲線的一維分布圖。借助這些曲線來講解PN結(jié)特性更加直觀明了，容易接受。通過改變摻雜濃度或帶隙寬度等參數(shù)，幫助學(xué)生深刻理解內(nèi)建電場及內(nèi)建電勢差的物理意義。此外，為了節(jié)省課堂時(shí)間和激活學(xué)生課下學(xué)習(xí)的熱情，將PC1D軟件程序放置在網(wǎng)上學(xué)習(xí)群中，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)，達(dá)到鞏固課堂學(xué)習(xí)效果的目的。

這部分的另一個(gè)重點(diǎn)是太陽能電池的等效電路，其被廣泛用于電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和失效分析。電池等效電路從電學(xué)角度上看并不復(fù)雜，包括恒流源、二極管、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻這些電學(xué)元件。不過，在實(shí)際情況下，僅憑定性分析，卻很難解釋一些失效現(xiàn)象。為此，我們除了講解等效電路公式和相應(yīng)的電路圖，還要介紹PVlighthouse的一個(gè)等效電路編輯器。具體來說，在這個(gè)等效電路編輯器中，一方面通過設(shè)置串聯(lián)電阻為零和并聯(lián)電阻無窮大而獲得理想的電流-電壓曲線，介紹電池特性參數(shù)，包括：短路電流、開路電壓、最大轉(zhuǎn)換效率、填充因子等。另一方面通過真實(shí)的電池等效電路，向?qū)W生展示漏電、電極失效等情況的電流電壓曲線，進(jìn)行失效分析。同時(shí)將這個(gè)在線編輯器的網(wǎng)址鏈接放置在線上的學(xué)習(xí)群中，供學(xué)生線上練習(xí)。

互聯(lián)網(wǎng)融合式教學(xué)方法在以上兩個(gè)實(shí)例中，不但讓學(xué)生在課堂上對干巴巴的理論學(xué)習(xí)產(chǎn)生可視化的體驗(yàn)，還可以在課堂之外，利用軟件充分參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并且獲得學(xué)以致用的自信心和成就感。

3 太陽能電池技術(shù)的理論聯(lián)系實(shí)際式教學(xué)研究

電池技術(shù)部分主要介紹各類型電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)。這部分的實(shí)踐性非常強(qiáng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。因此這部分需要進(jìn)行理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)。下面將以具體實(shí)例說明該教學(xué)方法及其優(yōu)點(diǎn)。

課堂教學(xué)將圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)這兩個(gè)方面詳細(xì)介紹幾種高效晶硅電池如鈍化發(fā)射極背面局域擴(kuò)散電池(PERL),鈍化發(fā)射極及背局域接觸電池(PERC),激光刻槽埋柵電池(BCSC),本征薄層的異質(zhì)結(jié)電池(HIT)的同時(shí)，不斷提出實(shí)際問題，讓學(xué)生結(jié)合之前的理論知識(shí)進(jìn)行回答。比如，PERL電池的背面設(shè)計(jì)有何好處？與PERC相比，有何不同？BCSC的表面電極與普通其它電池的設(shè)計(jì)相比有何優(yōu)勢？HIT電池的開路電壓為何大于晶硅同質(zhì)結(jié)？

另外，在介紹以碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)為代表的薄膜電池、基于三五族化合物的聚光電池、染料敏化太陽能電池和時(shí)下最熱門的鈣鈦礦太陽電池時(shí)，由于教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，這些電池主要介紹它們的特點(diǎn)，工藝技術(shù)，研究動(dòng)態(tài)等。但仍可以通過不斷提出問題，加深學(xué)生的理解。比如，CdTe，CIGS和三五族化合物材料的共同特點(diǎn)是什么？三五族多結(jié)電池的各個(gè)子電池在電學(xué)上是并聯(lián)還是串聯(lián)？其短路電流和開路電壓與何有關(guān)？

一個(gè)又一個(gè)問題拋向?qū)W生，引發(fā)頭腦風(fēng)暴的同時(shí)，使學(xué)生能掌握這些電池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置背后的理論依據(jù)，以及可能存在的實(shí)際問題。

然而，通過教學(xué)反饋，我們也認(rèn)識(shí)到課堂教學(xué)在工藝技術(shù)方面存在的問題，即無法使學(xué)生對工藝技術(shù)產(chǎn)生非常好的感性認(rèn)識(shí)，這與工藝路線的流程過于復(fù)雜密切相關(guān)。就拿最簡單的絲網(wǎng)印刷商業(yè)晶硅電池來說，制備工藝就包括了切片、清洗、制絨、擴(kuò)散、刻蝕、二次清洗、蒸鍍減反膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)和測試篩選這十個(gè)大步驟。學(xué)生大多通過背誦記住這些名詞，但往往無法僅憑記憶去理解這些步驟之間的前后因果關(guān)系及每一步的不當(dāng)處理會(huì)對最終電池各個(gè)參數(shù)有怎樣的影響。經(jīng)過討論，這部分的學(xué)習(xí)由理論和實(shí)際兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，即在課堂學(xué)習(xí)硅太陽能電池的工藝流程和在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中到光伏公司的生產(chǎn)車間進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)。通過理論聯(lián)系實(shí)際的方法，讓學(xué)生系統(tǒng)性地了解晶硅電池制備的各個(gè)步驟，深刻理解太陽能電池的工藝技術(shù)和電池特性參數(shù)如開路電壓，短路電流，填充因子及反向飽和電流密度等之間的關(guān)聯(lián)，深化和完善太陽能電池的理論體系。

理論聯(lián)系實(shí)際式教學(xué)方法在以上實(shí)例中，不但顯著提高學(xué)生的課堂參與度和積極性，還讓學(xué)生在自主的實(shí)踐中獲得應(yīng)用理論知識(shí)去分析和解決實(shí)際問題的能力。

4 結(jié)束語

作者總結(jié)《太陽能電池原理與技術(shù)》課程的教學(xué)心得，對課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行研究。通過引入模擬軟件PC1D和等效電路編輯器這兩個(gè)在線軟件資源，學(xué)生進(jìn)行真正的研究型學(xué)習(xí)的同時(shí)，也培養(yǎng)了理論聯(lián)系實(shí)際的習(xí)慣。生產(chǎn)實(shí)習(xí)有助于建立學(xué)生對工藝技術(shù)的感性認(rèn)識(shí)。經(jīng)過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以勝任光伏領(lǐng)域的研發(fā)和技術(shù)工作。