本科生創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)可溶液法加工納米晶太陽(yáng)電池的設(shè)立與實(shí)踐

覃東歡 王丹

摘? 要 基于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目引導(dǎo)的本科綜合性實(shí)驗(yàn)，是提高大學(xué)生動(dòng)手能力、提高理論結(jié)合實(shí)踐能力的有效辦法，也是全面提高大學(xué)生綜合素質(zhì)的有效手段。該綜合實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)大綱編寫、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)立、過(guò)程管理、教師指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)及分析等。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中成員配合的熟練程度、實(shí)驗(yàn)人員動(dòng)手能力都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響巨大。通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)立，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生濃厚的科研興趣，為學(xué)生即將開(kāi)始的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能電池;納米晶;本科生;綜合實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）07-0125-03

1 引言

基于項(xiàng)目引導(dǎo)的本科生創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科研熱情以及提高學(xué)生動(dòng)手能力有著重要意義，也是大學(xué)生開(kāi)展探究式學(xué)習(xí)的重要途徑[1-3]，得到許多高校的高度重視和大力支持。培養(yǎng)高、精、尖人才一直是985高校的重要任務(wù)和使命。本科生生源質(zhì)量對(duì)于研究型大學(xué)的后續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。理工類院校尤其強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，因此設(shè)立一些具有前瞻性、創(chuàng)新性并有一定基礎(chǔ)的本科綜合實(shí)驗(yàn)是非常必要的。

“可溶液法加工納米晶太陽(yáng)電池”綜合實(shí)驗(yàn)是在課題組教師從事此類研究十多年的基礎(chǔ)上提出的，因而具有扎實(shí)的基礎(chǔ)和很高的可執(zhí)行性。2005年，美國(guó)科學(xué)家Alivisatos[4]等人在國(guó)際著名期刊Science上首次提出溶液法加工碲化鎘-硒化鎘納米晶太陽(yáng)能電池，引起業(yè)界的高度關(guān)注及跟進(jìn)。這種太陽(yáng)能電池的主要特點(diǎn)有：光活層均采用溶液加工的方式進(jìn)行，可以在一般的通風(fēng)櫥里進(jìn)行，不需要傳統(tǒng)的超凈室，制備成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的碲化鎘薄膜電池;原材料利用率高，理論上可達(dá)到100%的利用率;工藝簡(jiǎn)單;厚度小，大大節(jié)約原材料的使用;可發(fā)展為卷對(duì)卷大面積制備工藝，進(jìn)一步降低電池成本。

納米晶太陽(yáng)能電池從原材料納米晶的合成及分散到最后器件的成型與測(cè)試，均可在實(shí)驗(yàn)室完成，主要步驟包括：納米晶碲化鎘、硒化鎘、氧化鋅前驅(qū)體的合成;ITO（氧化銦錫）導(dǎo)電玻璃的清洗;納米晶光活層的溶液法加工制備;電極蒸鍍;電池性能的測(cè)試及分析。在這些過(guò)程里使用到的科研設(shè)備包括超聲波清洗器、旋涂?jī)x、加熱臺(tái)、熱蒸發(fā)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)模擬太陽(yáng)光測(cè)試設(shè)備等，同時(shí)需要使用很多實(shí)驗(yàn)輔助工具如鑷子、移液槍、培養(yǎng)皿等，需要使用多種化學(xué)溶劑。全部實(shí)驗(yàn)可以分為三大塊：溶液法加工納米晶活性層;電極蒸鍍;電池的測(cè)試、分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。每一部分需要一天的時(shí)間，共需要三天。因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是綜合性的大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

經(jīng)過(guò)十多年的探索，該課題組在納米晶太陽(yáng)能電池方面取得豐碩的研究成果，已經(jīng)發(fā)表SCI論文30多篇。尤其在碲化鎘納米晶電池方面，首次設(shè)計(jì)了全新的倒置器件結(jié)構(gòu)，并引入新型界面材料層，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)8%以上的能量轉(zhuǎn)換效率，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，發(fā)表了一系列的科研論文[5-7]。該綜合實(shí)驗(yàn)正是在課題組多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的成熟的器件制備工藝的基礎(chǔ)上提出的，該綜合實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展，培養(yǎng)了一批光電高水平人才，推動(dòng)了本科生創(chuàng)新工作的進(jìn)行，也取得豐碩的成果，本科生發(fā)表多篇與該綜合實(shí)驗(yàn)相關(guān)的SCI論文 [8-10]。

2 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該綜合實(shí)驗(yàn)由三部分組成，其中溶液法加工納米晶光活層是核心的內(nèi)容，器件性能的好壞主要由該部分的實(shí)驗(yàn)所決定。參考已有的研究工作基礎(chǔ)，該實(shí)驗(yàn)采用的器件結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO/CdSe/CdTe/MoOx/Au。其中ZnO界面層以及CdSe、CdTe光活層均采用勻膠機(jī)旋涂制備，MoOx界面層以及Au電極可以通過(guò)熱蒸發(fā)的方式制膜，ZnO界面層以及CdSe、CdTe納米晶薄膜的制備需要結(jié)合化學(xué)處理以及層層燒結(jié)的工藝。制備ITO/ZnO/CdSe/CdTe整個(gè)流程下來(lái)需要4～5個(gè)小時(shí)，為了保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，通常需要設(shè)立一天的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)需要3～5位學(xué)生一組共同配合完成。實(shí)驗(yàn)要求每人獨(dú)立完成兩個(gè)器件的制備。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于夾片、刮片、化學(xué)處理、熱處理時(shí)間、吹片等有較高的要求。為保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)之前由教師帶領(lǐng)幾位曾經(jīng)參加過(guò)此類工作且熟練程度很高的高年級(jí)學(xué)生將制備流程拍成視頻，并配備相應(yīng)的講解，要求即將參加本次實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前都要認(rèn)真觀看幾遍。即便如此，對(duì)于平時(shí)動(dòng)手能力差、不善于溝通的學(xué)生來(lái)講，難度也是很大的。通常整個(gè)實(shí)驗(yàn)下來(lái)，最多有10位學(xué)生能夠嫻熟操作，并取得比較理想的器件性能。

通過(guò)這樣的綜合實(shí)驗(yàn)，絕大多數(shù)學(xué)生得到很好的科研鍛煉，對(duì)于薄膜太陽(yáng)能電池的制備工藝有了深刻理解，同時(shí)激發(fā)了進(jìn)一步研究的熱情。課題組教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，挑選出一些能力較強(qiáng)且學(xué)有余力的學(xué)生組成科研團(tuán)隊(duì)如國(guó)創(chuàng)團(tuán)隊(duì)等，在教師的指導(dǎo)下開(kāi)展與該綜合實(shí)驗(yàn)相關(guān)的創(chuàng)新性科研工作，由于這些學(xué)生前期已經(jīng)擁有良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)于導(dǎo)師設(shè)立的課題能夠很快理解并獨(dú)立開(kāi)展科研工作，為取得創(chuàng)新性成果奠定基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)支持體系

該綜合實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展，得益于學(xué)校的大力支持：在購(gòu)置藥品、易耗材料（包括化學(xué)藥品、玻璃儀器、工作服、手套、蒸鍍用金屬等）、實(shí)驗(yàn)室安排等方面給予足夠的資金支持;優(yōu)先支持本綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生申請(qǐng)各類大學(xué)生課外科研活動(dòng)基金，為大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)取得高水平成果打下基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，如果沒(méi)有學(xué)校的大力支持，開(kāi)展這種規(guī)模較大、有一定耗費(fèi)的綜合實(shí)驗(yàn)是非常困難的。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了保證人員的安全，學(xué)校也配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)員對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效管理。同時(shí)，學(xué)院也非常重視本綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，提供了配備齊全的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

該實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)“重結(jié)果，輕過(guò)程”，學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)組成為：平時(shí)成績(jī)占20%，主要根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度、專注度等打分;實(shí)驗(yàn)成果指標(biāo)占60%，這部分的打分根據(jù)學(xué)生所制備的太陽(yáng)能電池器件的性能進(jìn)行劃分;實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫規(guī)范性占20%，主要評(píng)價(jià)學(xué)生是否按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求進(jìn)行書(shū)寫，同時(shí)檢查語(yǔ)言的流暢性。其中，根據(jù)該課題組已發(fā)表的SCI論文所達(dá)到的水平，器件性能的劃分檔次如下：

一檔，器件能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)7%，100分;

二檔，器件能量轉(zhuǎn)換效率5%～7%，90～100分;

三檔，器件能量轉(zhuǎn)換效率4%～5%，80～90分;

四檔，器件能量轉(zhuǎn)換效率3%～4%，70～80分;

五檔，器件能量轉(zhuǎn)換效率3%以下，60～70分。

從兩年來(lái)的實(shí)施來(lái)看，通常學(xué)生實(shí)驗(yàn)的熱情度非常高，很多學(xué)生為了更好地完成實(shí)驗(yàn)，往往花費(fèi)比預(yù)定時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，大多數(shù)學(xué)生（85%）所制備的太陽(yáng)能電池器件性能在3%以下，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所設(shè)立的難度是很大的。值得注意的是，大約有5%的學(xué)生實(shí)現(xiàn)了5%～7%的轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這些學(xué)生平時(shí)非?；钴S，積極參加學(xué)校設(shè)立的各種科研項(xiàng)目，已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作非常流暢和規(guī)范，能夠吃透每一步實(shí)驗(yàn)的精髓，因而能取得非常理想的結(jié)果。通常，指導(dǎo)教師對(duì)這一部分學(xué)生比較關(guān)注，通過(guò)綜合學(xué)生本人在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)以及平時(shí)表現(xiàn)，挑選出合適的人選進(jìn)行與本綜合實(shí)驗(yàn)類似的創(chuàng)新性研究。

5 實(shí)驗(yàn)實(shí)施效果

本綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)施兩年來(lái)，對(duì)參與的學(xué)生做了專門的調(diào)研報(bào)告，得出一些有價(jià)值的反饋：

1）認(rèn)為這個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)是否有必要開(kāi)設(shè)這個(gè)問(wèn)題，98%的學(xué)生認(rèn)為非常必要，只有2%的學(xué)生選擇一般或者不知道;

2）在“綜合性實(shí)驗(yàn)是否對(duì)本科生科研創(chuàng)新有促進(jìn)作用”的回答中，80%以上的學(xué)生選擇“有，作用很大”，18%的學(xué)生選擇“有一定的作用”;

3）在“綜合性實(shí)驗(yàn)與課程內(nèi)容相關(guān)性以及是否有拓展”方面，86%的學(xué)生選擇“有，相關(guān)性大”，12%的學(xué)生選擇“有，有一定相關(guān)性”;

4）在實(shí)驗(yàn)難度設(shè)計(jì)方面，65%的學(xué)生認(rèn)為“很難”，30%的學(xué)生認(rèn)為“較難”，5%的學(xué)生認(rèn)為“容易”;

5）對(duì)于本綜合實(shí)驗(yàn)，86%的學(xué)生“非常感興趣”，11%的學(xué)生“比較有興趣”;

6）對(duì)于本綜合實(shí)驗(yàn)的收獲，87%的學(xué)生認(rèn)為“收獲很大”，10%的學(xué)生認(rèn)為“有一定收獲”。

綜合以上，說(shuō)明本綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)是廣受歡迎的，并且對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有很大的促進(jìn)作用。另外，課題組根據(jù)學(xué)生在綜合性實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，設(shè)立一些研究小組，成員在開(kāi)展科研之前已經(jīng)具備一定的獨(dú)立工作能力，通過(guò)與學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容探討，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，然后放手讓他們獨(dú)立完成本應(yīng)該是研究生完成的工作。研究小組經(jīng)過(guò)一年多的努力，取得大量研究成果，其中以研究小組成員作為第一作者，發(fā)表SCI論文五篇，有兩篇影響因子3.5;申請(qǐng)發(fā)明專利六項(xiàng)，有兩項(xiàng)獲得批準(zhǔn)。研究組成員獲得多項(xiàng)榮譽(yù)，包括材料創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)以及其他一些重要的獎(jiǎng)項(xiàng)?？梢哉f(shuō)綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施是提高本科生綜合素質(zhì)教育非常重要的一環(huán)。

6 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)幾年的摸索，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次優(yōu)化。如上所述，綜合實(shí)驗(yàn)的第一部分是溶液法加工納米晶光活層，這一部分耗時(shí)最長(zhǎng)，也是最考驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦、協(xié)作等能力的重要一環(huán)。前期開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)由于經(jīng)驗(yàn)不足，往往浪費(fèi)很多時(shí)間和精力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)反饋的問(wèn)題進(jìn)行必要改進(jìn)。首先，將實(shí)驗(yàn)分為上午和下午各三個(gè)小時(shí)，上午和下午的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容明確化;其次，人員進(jìn)行優(yōu)化組合，每一個(gè)小組配備一位有一定科研經(jīng)歷的學(xué)生，起到傳幫帶的作用;最后，實(shí)驗(yàn)員細(xì)化材料的配置、器件的放置以及負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的提醒等。

7 結(jié)語(yǔ)

該綜合實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)幾年的不斷探索與完善，在學(xué)校辦學(xué)宗旨指導(dǎo)下，在學(xué)校教學(xué)實(shí)踐部門的大力支持下，課題組建立了完善的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)立了完善的綜合實(shí)驗(yàn)管理體系，形成良好的實(shí)驗(yàn)管理制度。學(xué)生結(jié)合“光伏太陽(yáng)能電池器件”這門選修課程，在指導(dǎo)教師以及實(shí)驗(yàn)員的幫助下，獨(dú)立完成可溶液法加工太陽(yáng)能電池器件的制備與測(cè)試，學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)合作，增強(qiáng)了自主操作能力，對(duì)于光電領(lǐng)域的科研有了一定的認(rèn)識(shí)。通過(guò)參與本實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步開(kāi)展科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施廣受歡迎，學(xué)生的參與熱情很高，在隨后的科研實(shí)踐中取得非常顯著的成果?！?/p>

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