能源化工專業(yè)《太陽(yáng)能光伏電池基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

利明

摘要：根據(jù)目前光伏電池領(lǐng)域的知識(shí)類別和能源化工專業(yè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)條件，確定課程知識(shí)框架。通過(guò)對(duì)教學(xué)參考書的整理研究，結(jié)合現(xiàn)今太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)革新狀況，建構(gòu)適合能源化工專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容體系，并對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選編，使學(xué)生掌握基本的太陽(yáng)電池相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：《太陽(yáng)能光伏電池基礎(chǔ)》;教學(xué)內(nèi)容;內(nèi)容選編

中圖分類號(hào)：G642???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）13-0175-02

在能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的形勢(shì)下，太陽(yáng)能以其取之不盡、用之不竭、分布廣泛，不受地域和季節(jié)限制的特點(diǎn)成為最有前景的可再生能源。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著技術(shù)的進(jìn)步，以及其他能源利用形式的逐漸飽和，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，逐漸成為世界能源供應(yīng)的主體。光伏產(chǎn)業(yè)是半導(dǎo)體技術(shù)與新能源需求相結(jié)合產(chǎn)生的新興產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)前國(guó)際能源競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。我校能源化工專業(yè)為適應(yīng)能源行業(yè)的需要，培養(yǎng)全面的能源領(lǐng)域人才，開設(shè)了《太陽(yáng)能光伏電池基礎(chǔ)》這門課程。并且，在我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，相關(guān)課程的重要性也在提升，這門課已經(jīng)從原來(lái)的選修課程轉(zhuǎn)為必修課程，對(duì)拓寬學(xué)生的專業(yè)視野，擴(kuò)展學(xué)生的就業(yè)范圍產(chǎn)生了積極的作用。

筆者在這幾年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能光伏電池相關(guān)的書籍雖然很多，但適合作為化工類學(xué)生學(xué)習(xí)太陽(yáng)電池相關(guān)知識(shí)的理想教材很少。現(xiàn)有出版的太陽(yáng)電池相關(guān)的書籍主要分為幾大類：（1）側(cè)重于物理理論內(nèi)容;（2）側(cè)重于光伏材料介紹;（3）側(cè)重于太陽(yáng)電池生產(chǎn)技術(shù)介紹;（4）側(cè)重于應(yīng)用設(shè)計(jì);（5）側(cè)重于太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有些書籍內(nèi)容全面，會(huì)涵蓋以上幾點(diǎn)或者全部的內(nèi)容[1-6]。對(duì)于課程內(nèi)容的選擇，我們的原則是要有比較完整的理論知識(shí)體系，同時(shí)也要介紹電池的材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)。并且，考慮到能源化工專業(yè)的學(xué)生物理基礎(chǔ)比較薄弱，課程的課時(shí)較短，因此理論部分既要求比較完整，也要注意對(duì)深度的把握，不使學(xué)生過(guò)于吃力。實(shí)際生產(chǎn)方面的內(nèi)容既要介紹現(xiàn)有比較成熟的工藝技術(shù)，也要考慮前沿技術(shù)的介紹。綜合上述，我們選擇相關(guān)物理理論、光伏材料、電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)這三方面作為課程的主體內(nèi)容，在應(yīng)用設(shè)計(jì)和發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面不做介紹，以此將整門課程分為五大部分。

一、太陽(yáng)能應(yīng)用的意義及太陽(yáng)光基礎(chǔ)知識(shí)

課程首先介紹太陽(yáng)能應(yīng)用的背景知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而且，太陽(yáng)電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，要讓學(xué)生了解太陽(yáng)電池的工作情況，首先也應(yīng)對(duì)太陽(yáng)光有一定了解。這部分主要介紹關(guān)于陽(yáng)光的基礎(chǔ)知識(shí)，包括太陽(yáng)光譜的組成，各部分光區(qū)在太陽(yáng)光譜中所占能量的比重，光強(qiáng)的表示方法，到達(dá)地球的陽(yáng)光光強(qiáng)受到什么因素影響。同時(shí)，本門課程是立足于我國(guó)國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此也介紹我國(guó)各地區(qū)太陽(yáng)能資源分布狀況。

對(duì)于太陽(yáng)光的基礎(chǔ)知識(shí)，楊德仁所編《太陽(yáng)電池材料》的第一章，太陽(yáng)能和光電轉(zhuǎn)換，這部分的內(nèi)容對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)都有介紹，且深度適宜，因此主要參考本書進(jìn)行教學(xué)。但此書沒有我國(guó)太陽(yáng)能資源分布的內(nèi)容，因而這個(gè)部分主要參考熊紹珍、朱美芳所編的《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》一書。對(duì)于我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的部分，由于各參考書出版的時(shí)間較早，與現(xiàn)今的發(fā)展?fàn)顩r不符，因此主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜集最新的訊息。

二、光伏原理基礎(chǔ)

太陽(yáng)電池的核心部分主要是半導(dǎo)體，要理解太陽(yáng)電池的工作原理、性能和半導(dǎo)體材料的關(guān)系，需要對(duì)半導(dǎo)體的定義、物理特性有基本了解。這部分是整門課程理論部分的重點(diǎn)，多數(shù)關(guān)于太陽(yáng)能電池的書籍都有這方面的內(nèi)容。我們教學(xué)中主要參考《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》和《太陽(yáng)電池材料》兩書，主要講述半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、與導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別;本征半導(dǎo)體和本征激發(fā);雜質(zhì)半導(dǎo)體——n型和p型;平衡和非平衡載流子、半導(dǎo)體的兩種導(dǎo)電機(jī)制;pn結(jié)的形成、pn結(jié)的制備、pn結(jié)的伏特特性;太陽(yáng)能電池的工作原理這些知識(shí)點(diǎn)。

在《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》和《太陽(yáng)電池材料》兩書中，對(duì)于載流子濃度等的計(jì)算有詳盡的公式推導(dǎo)，而由于前述本門課程面對(duì)的教學(xué)對(duì)象及課時(shí)的關(guān)系，本課程只做原理和概念性介紹，不會(huì)講解復(fù)雜的公式演算。

三、電池性能測(cè)試、極限及損失分析

對(duì)太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)在于其將光能轉(zhuǎn)為電能的效率，效率由電池工作時(shí)的電流、電壓等性能參數(shù)決定。上述的兩本參考書中，都把電池性能參數(shù)的介紹和測(cè)試方法條件分在不同的章節(jié)。鑒于這些內(nèi)容有相關(guān)性，并且出于對(duì)教學(xué)效率的考量，本門課程將有關(guān)性能介紹、測(cè)試、計(jì)算、分析的部分都整合在一起。介紹開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率的定義及它們相互轉(zhuǎn)換計(jì)算的基本公式，略過(guò)對(duì)短路電流、開路電壓、填充因子理論數(shù)值的復(fù)雜演算過(guò)程。除此之外，還講授性能測(cè)試的方法和條件、測(cè)試所用設(shè)備、數(shù)據(jù)處理，同時(shí)介紹電池性能的影響因素、性能的極限及損失分析。

四、太陽(yáng)電池的材料、結(jié)構(gòu)和制備

《太陽(yáng)電池材料》一書將電池結(jié)構(gòu)及電池制備與電池材料特性及材料制備分開為單獨(dú)的兩章進(jìn)行講述。《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》則將同一材料的電池的材料特性、電池結(jié)構(gòu)及制備放到一起介紹。其他大多數(shù)書籍基本按照這兩種情況安排內(nèi)容。這部分內(nèi)容，筆者認(rèn)為將同一材料的電池的材料特性、電池結(jié)構(gòu)及制備放到一起介紹的安排更有效率。首先介紹晶體硅（包括單晶和多晶）材料的制備、材料特性及電池結(jié)構(gòu)、電池各部分的作用和電池生產(chǎn)技術(shù)和工藝。對(duì)于無(wú)機(jī)薄膜電池，由于課時(shí)的原因，只選取CdTe和CuInGaSe2作為代表介紹電池結(jié)構(gòu)、薄膜制備技術(shù)和生產(chǎn)流程。這部分的重點(diǎn)是讓學(xué)生掌握目前商業(yè)化程度較高，工藝比較成熟的太陽(yáng)電池的特點(diǎn)及主要的生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)于材料的物性和優(yōu)缺點(diǎn)只做大概介紹，因此主要參考《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》。同時(shí)，薄膜電池也只主要介紹單結(jié)電池，多節(jié)電池只稍微提及。

近期有機(jī)薄膜電池的發(fā)展非常迅速，效率已經(jīng)超過(guò)10%，并且有機(jī)薄膜電池具有材料豐富、生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此具有非常大的商業(yè)潛力。而上述的兩本書籍中，均無(wú)對(duì)有機(jī)電池的介紹。順應(yīng)科研和生產(chǎn)的發(fā)展現(xiàn)狀，本課程增加有機(jī)電池的內(nèi)容，選取代表性的有機(jī)材料講述有機(jī)電池的工作原理、電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)流程。

五、將來(lái)太陽(yáng)電池的發(fā)展方向

介紹晶體硅電池在改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)和制備技術(shù)方面的新突破，化合物和有機(jī)電池在新材料研發(fā)上的新進(jìn)展以及最近出現(xiàn)的新概念電池，讓學(xué)生對(duì)目前電池的發(fā)展方向有一定的了解。這部分內(nèi)容涉及最新的研究成果，主要從網(wǎng)絡(luò)和文獻(xiàn)調(diào)研，收集材料信息。

通過(guò)整門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠大致明了太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，從產(chǎn)業(yè)到應(yīng)用的地區(qū)分布，對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響;構(gòu)建起比較完整的太陽(yáng)電池理論和工藝的知識(shí)結(jié)構(gòu)，具備從事太陽(yáng)電池生產(chǎn)和基礎(chǔ)研發(fā)的基本素質(zhì)。

能源化工專業(yè)的學(xué)生初步接觸和學(xué)習(xí)太陽(yáng)電池的相關(guān)知識(shí)，需要考慮他們已有的知識(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)兼顧相關(guān)理論的完整性和生產(chǎn)實(shí)際內(nèi)容的實(shí)用性。而現(xiàn)有出版的書籍不完全適合本課程的教學(xué)，筆者從架構(gòu)的課程內(nèi)容體系出發(fā)，從使用的教學(xué)參考書中選編了對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，力求在學(xué)生的能力范圍內(nèi)較全面和具體地介紹太陽(yáng)能電池從理論到實(shí)際生產(chǎn)的知識(shí)，選編的教學(xué)內(nèi)容對(duì)能源化工或者其他非物理專業(yè)開設(shè)《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)》這門課程的教學(xué)有一定的參考價(jià)值。在后續(xù)的教學(xué)中也將根據(jù)新的要求和太陽(yáng)電池發(fā)展的動(dòng)向?qū)?nèi)容進(jìn)行不斷完善和更新，為培養(yǎng)全面的、與時(shí)俱進(jìn)的能源領(lǐng)域人才服務(wù)。

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The Curriculum System Construction of "Fundamentals of Solar Photovoltaic Cell" for Energy Chemical Engineering

LI Ming

（College of Chemical and Biologic Engineering，Guilin University of Technology，

Guilin，Guangxi 541004，China）

Abstract：Base on the content classification of solar photovoltaic cell area and basic theoretical conditions of the students major in energy chemical engineering，combing the development and technique innovation of solar photovoltaic industry，the curriculum system of fundamentals of solar photovoltaic cell suitable for students major in energy chemical engineering was constructed through gathering，collating and research of teaching reference books.

Key words："Fundamentals of Solar Photovoltaic Cell";teaching content;content selection