太陽電池數(shù)值模擬軟件在高職光伏專業(yè)課程中應(yīng)用的思考

何 帆

（樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000）

引言

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)以其能源轉(zhuǎn)換直接、資源豐富、度電成本低等優(yōu)勢已成為可再生能源技術(shù)創(chuàng)新、實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心技術(shù)之一。光伏產(chǎn)業(yè)是基于半導(dǎo)體技術(shù)和新能源需求而興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，是未來全球先進(jìn)產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，降本增效不斷推進(jìn)，對產(chǎn)業(yè)技術(shù)技能人才的綜合素質(zhì)要求也不斷提升。尤其是在太陽電池制備領(lǐng)域，新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)快速更新，對高職院校人才培養(yǎng)提出了更高要求。因此，在光伏專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)中需要不斷探究更加高效、前沿的教學(xué)手段，提升光伏專業(yè)高職學(xué)生太陽電池相關(guān)理論知識，增強對太陽電池參數(shù)、性能等方面的認(rèn)識。

數(shù)值模擬具有驗證器件物理模型的可行性、輔助分析實驗結(jié)果、預(yù)測材料及器件結(jié)構(gòu)變化對性能的影響等作用，是高校科研人員或企業(yè)研發(fā)人員進(jìn)行太陽電池設(shè)計及理論分析的重要手段。在高職光伏專業(yè)相關(guān)課程中引入數(shù)值模擬教學(xué)是一種有益的嘗試。本論文通過分析光伏專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀，探究SCAPS 太陽電池數(shù)值模擬軟件在課程中應(yīng)用的必要性和需注意的問題，旨在為光伏專業(yè)相關(guān)課程探究新的教學(xué)工具和手段，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)。

1 高職光伏專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

太陽電池的原理、參數(shù)、性質(zhì)等是光伏技術(shù)的基礎(chǔ)，在“光伏發(fā)電原理”“太陽電池制備技術(shù)”“薄膜太陽電池技術(shù)”等課程中都有所涉及。充分理解太陽電池相關(guān)基礎(chǔ)理論知識，對于后續(xù)“光伏組件生產(chǎn)技術(shù)”“光伏系統(tǒng)設(shè)計”等課程的學(xué)習(xí)具有重要意義。目前對于太陽電池相關(guān)知識的學(xué)習(xí)大都通過老師講述授課、PPT 展示等方式。老師在講解太陽電池材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)與輸出性質(zhì)的關(guān)系時大都只能通過公式推導(dǎo)講解，甚至直接給出結(jié)論讓學(xué)生記憶。這些學(xué)習(xí)方式要么較為枯燥，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；要么不夠系統(tǒng)，難以使學(xué)生真正深入、全面地了解太陽電池運行情況。因此，需要采用更加直觀、高效、前沿的教學(xué)工具或手段，增強學(xué)習(xí)效果。

2 引入太陽電池數(shù)值模擬軟件的必要性

2.1 可增強教學(xué)直觀性

SCAPS 是Gent 大學(xué)ELIS（the department of Electronics and Information Systems）的Burgelman 等人開發(fā)的一款1D太陽電池模擬軟件，具有操作簡單、功能較為全面等特點，較為適合高職學(xué)生使用。采用SCAPS 數(shù)值模擬軟件輔助太陽電池相關(guān)課程教學(xué)的直觀性體現(xiàn)在三個方面，一是可直觀設(shè)置電池結(jié)構(gòu)，學(xué)生可自行添加電池各功能層，并且進(jìn)行各功能層參數(shù)設(shè)置（如圖1 所示）；二是可根據(jù)設(shè)置直接輸出對應(yīng)參數(shù)，使學(xué)生理解參數(shù)與性能的關(guān)系；三是可顯示出J-V 曲線、C-V 曲線、QE 曲線等幾乎所有常用的電池性質(zhì)或參數(shù)（如圖2 所示），便于學(xué)生全面理解太陽電池性質(zhì)。以“載流子復(fù)合分析”教學(xué)為例，該部分內(nèi)容是太陽電池學(xué)習(xí)的重難點，輻射復(fù)合、缺陷復(fù)合、俄歇復(fù)合及界面復(fù)合等復(fù)合作用是影響太陽電池性能的重要因素。由于該部分內(nèi)容較為抽象，涉及的理論公式較為復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)存在一定困難。然而，通過SCAPS 數(shù)值模擬軟件，學(xué)生可以通過自己操作，直觀看到不同復(fù)合類型、不同缺陷濃度、不同缺陷位置、不同表面復(fù)合速率等對電池輸出性能、量子效率等的影響，從而加深對太陽電池復(fù)合與性能之間關(guān)系的認(rèn)識。

圖1 SCAPS 軟件中電池結(jié)構(gòu)及材料設(shè)置頁面

圖2 SCAPS 軟件中電池I-V 曲線輸出頁面

2.2 可強化學(xué)生太陽電池理論知識

電流密度方程、連續(xù)性方程、泊松方程合稱半導(dǎo)體三大基礎(chǔ)方程，或半導(dǎo)體輸運方程組，通過合理的近似處理并在一定邊界條件求解該方程組，可以得到異質(zhì)結(jié)器件的伏安特性。由于SCAPS 的工作原理即為通過定義電池的器件結(jié)構(gòu)及功能層的材料參數(shù)，求解泊松方程、電流密度方程及連續(xù)性方程，從而得到各結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)下電池的輸出性能及其他物理性質(zhì)。在學(xué)習(xí)和操作SCAPS 及其他太陽電池數(shù)值模擬軟件過程中，必然能夠強化學(xué)生太陽電池理論知識。此外，通過太陽電池數(shù)值模擬軟件可以減少學(xué)生學(xué)習(xí)難度，增強學(xué)習(xí)效果。例如，在“伏安特性及輸出特性”教學(xué)中，往往是先講解太陽電池伏安特性公式推導(dǎo)，然后展示太陽電池的等效電路圖示意圖或電流密度—電壓輸出曲線示意圖。當(dāng)學(xué)生對前期pn 結(jié)基礎(chǔ)及伏安特性公式?jīng)]有很好理解時，就會影響對后期輸出性能等知識的學(xué)習(xí)。通過數(shù)值模擬軟件，可以直接結(jié)合能帶圖、J—V 曲線、QE曲線等輸出結(jié)果，使學(xué)生直觀看到太陽電池結(jié)構(gòu)建立、參數(shù)設(shè)置、運行條件及結(jié)果輸出的全過程，有助于更好地掌握太陽電池原理和特性。

2.3 可緊跟電池技術(shù)前沿

目前大多數(shù)太陽電池相關(guān)教學(xué)資料仍都是以經(jīng)典晶硅同質(zhì)結(jié)太陽電池為例，然而近年來隨著異質(zhì)結(jié)太陽電池迅速發(fā)展，學(xué)生需要加深理解界面缺陷、能帶匹配等電池設(shè)計概念。SCAPS 能夠模擬多種不同結(jié)構(gòu)太陽電池性能，具有以下功能特點：（1）幾乎所有材料的參數(shù)都可進(jìn)行漸變設(shè)置；（2）包括三種類型復(fù)合機制；（3）可進(jìn)行體材料及界面缺陷態(tài)設(shè)置；（4）可進(jìn)行多種缺陷能級及電荷態(tài)設(shè)置；（5）可進(jìn)行多種缺陷能級分布設(shè)置；（6）可自定義接觸電極的功函數(shù)及定義入射光通量；（7）允許隧穿設(shè)置；（8）建立了光子吸收、載流子生成計算模型，且支持外部文件導(dǎo)入；（9）可進(jìn)行多種模擬光譜設(shè)置；（10）可對不同工作條件進(jìn)行模擬；（11）可輸出幾乎所有常用的電池性質(zhì)或參數(shù)JV 曲線、C-V 曲線、QE 曲線、能帶圖、載流子濃度分布、電流密度分布、載流子產(chǎn)生及復(fù)合曲線、電場分布等。有助于學(xué)生充分掌握太陽電池工作特性，特別適合部分學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)，了解電池前沿技術(shù)。

3 引入太陽電池數(shù)值模擬軟件需注意的問題

在高職光伏專業(yè)相關(guān)課程中引入數(shù)值模擬軟件教學(xué)具有諸多優(yōu)勢，同時也存在一些問題。首先，目前常用的太陽電池數(shù)值模擬軟件大都為國外機構(gòu)開發(fā)，而高職學(xué)生普遍外語能力較差，在軟件學(xué)習(xí)中容易產(chǎn)生畏難情緒。其次，太陽電池數(shù)值模擬軟件學(xué)習(xí)對基礎(chǔ)方程、伏安特性等理論知識有一定要求，高職學(xué)生大都基礎(chǔ)較差、在校學(xué)習(xí)時間短，難以快速補齊理論知識缺乏的短板。此外，采用數(shù)值模擬軟件，甚至是多種數(shù)值模擬軟件教學(xué)，對高職教師自身學(xué)習(xí)能力提出了新要求，教師自身先要系統(tǒng)掌握軟件使用，在教學(xué)中才能深入淺出地講解。

4 總結(jié)

高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校是產(chǎn)業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的前沿陣地，全國相關(guān)高職院校已為我國光伏產(chǎn)業(yè)輸送了大量技術(shù)技能人才。在光伏產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展中，特別是太陽電池制造領(lǐng)域，進(jìn)一步提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員的素質(zhì)是亟待解決的問題。熟悉太陽電池基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)掌握太陽電池參數(shù)性質(zhì)，參與太陽電池技術(shù)更新、研發(fā)是今后對太陽電池制備領(lǐng)域技術(shù)人才提出的新要求。綜上所述，在高職光伏專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，不斷克服可能遇到的問題，引入太陽電池數(shù)值模擬軟件，有助于增強教學(xué)直觀性，夯實學(xué)生基礎(chǔ)理論，激發(fā)學(xué)生鉆研行業(yè)前沿，是一種有益嘗試。