太陽電池數(shù)值模擬軟件在高職光伏專業(yè)課程中應用的思考

何 帆

（樂山職業(yè)技術學院，四川 樂山 614000）

引言

太陽能光伏發(fā)電技術以其能源轉換直接、資源豐富、度電成本低等優(yōu)勢已成為可再生能源技術創(chuàng)新、實現(xiàn)碳中和目標的核心技術之一。光伏產(chǎn)業(yè)是基于半導體技術和新能源需求而興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，是未來全球先進產(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，對產(chǎn)業(yè)技術技能人才的綜合素質要求也不斷提升。尤其是在太陽電池制備領域，新材料、新結構、新技術快速更新，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)相關課程教學中需要不斷探究更加高效、前沿的教學手段，提升光伏專業(yè)高職學生太陽電池相關理論知識，增強對太陽電池參數(shù)、性能等方面的認識。

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

1 高職光伏專業(yè)相關課程教學現(xiàn)狀分析

太陽電池的原理、參數(shù)、性質等是光伏技術的基礎，在“光伏發(fā)電原理”“太陽電池制備技術”“薄膜太陽電池技術”等課程中都有所涉及。充分理解太陽電池相關基礎理論知識，對于后續(xù)“光伏組件生產(chǎn)技術”“光伏系統(tǒng)設計”等課程的學習具有重要意義。目前對于太陽電池相關知識的學習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、結構、環(huán)境參數(shù)與輸出性質的關系時大都只能通過公式推導講解，甚至直接給出結論讓學生記憶。這些學習方式要么較為枯燥，難以激發(fā)學生學習興趣；要么不夠系統(tǒng)，難以使學生真正深入、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、前沿的教學工具或手段，增強學習效果。

2 引入太陽電池數(shù)值模擬軟件的必要性

2.1 可增強教學直觀性

SCAPS 是Gent 大學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，較為適合高職學生使用。采用SCAPS 數(shù)值模擬軟件輔助太陽電池相關課程教學的直觀性體現(xiàn)在三個方面，一是可直觀設置電池結構，學生可自行添加電池各功能層，并且進行各功能層參數(shù)設置（如圖1 所示）；二是可根據(jù)設置直接輸出對應參數(shù)，使學生理解參數(shù)與性能的關系；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或參數(shù)（如圖2 所示），便于學生全面理解太陽電池性質。以“載流子復合分析”教學為例，該部分內(nèi)容是太陽電池學習的重難點，輻射復合、缺陷復合、俄歇復合及界面復合等復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雜，學生學習存在一定困難。然而，通過SCAPS 數(shù)值模擬軟件，學生可以通過自己操作，直觀看到不同復合類型、不同缺陷濃度、不同缺陷位置、不同表面復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合與性能之間關系的認識。

圖1 SCAPS 軟件中電池結構及材料設置頁面

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、泊松方程合稱半導體三大基礎方程，或半導體輸運方程組，通過合理的近似處理并在一定邊界條件求解該方程組，可以得到異質結器件的伏安特性。由于SCAPS 的工作原理即為通過定義電池的器件結構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，從而得到各結構及材料參數(shù)下電池的輸出性能及其他物理性質。在學習和操作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生學習難度，增強學習效果。例如，在“伏安特性及輸出特性”教學中，往往是先講解太陽電池伏安特性公式推導，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。當學生對前期pn 結基礎及伏安特性公式?jīng)]有很好理解時，就會影響對后期輸出性能等知識的學習。通過數(shù)值模擬軟件，可以直接結合能帶圖、J—V 曲線、QE曲線等輸出結果，使學生直觀看到太陽電池結構建立、參數(shù)設置、運行條件及結果輸出的全過程，有助于更好地掌握太陽電池原理和特性。

2.3 可緊跟電池技術前沿

目前大多數(shù)太陽電池相關教學資料仍都是以經(jīng)典晶硅同質結太陽電池為例，然而近年來隨著異質結太陽電池迅速發(fā)展，學生需要加深理解界面缺陷、能帶匹配等電池設計概念。SCAPS 能夠模擬多種不同結構太陽電池性能，具有以下功能特點：（1）幾乎所有材料的參數(shù)都可進行漸變設置；（2）包括三種類型復合機制；（3）可進行體材料及界面缺陷態(tài)設置；（4）可進行多種缺陷能級及電荷態(tài)設置；（5）可進行多種缺陷能級分布設置；（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，且支持外部文件導入；（9）可進行多種模擬光譜設置；（10）可對不同工作條件進行模擬；（11）可輸出幾乎所有常用的電池性質或參數(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)生及復合曲線、電場分布等。有助于學生充分掌握太陽電池工作特性，特別適合部分學習能力較強的學生開展探究性學習，了解電池前沿技術。

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)相關課程中引入數(shù)值模擬軟件教學具有諸多優(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開發(fā)，而高職學生普遍外語能力較差，在軟件學習中容易產(chǎn)生畏難情緒。其次，太陽電池數(shù)值模擬軟件學習對基礎方程、伏安特性等理論知識有一定要求，高職學生大都基礎較差、在校學習時間短，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，對高職教師自身學習能力提出了新要求，教師自身先要系統(tǒng)掌握軟件使用，在教學中才能深入淺出地講解。

4 總結

高等職業(yè)技術學校是產(chǎn)業(yè)技術人才培養(yǎng)的前沿陣地，全國相關高職院校已為我國光伏產(chǎn)業(yè)輸送了大量技術技能人才。在光伏產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展中，特別是太陽電池制造領域，進一步提升產(chǎn)業(yè)技術人員的素質是亟待解決的問題。熟悉太陽電池基礎理論，系統(tǒng)掌握太陽電池參數(shù)性質，參與太陽電池技術更新、研發(fā)是今后對太陽電池制備領域技術人才提出的新要求。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，有助于增強教學直觀性，夯實學生基礎理論，激發(fā)學生鉆研行業(yè)前沿，是一種有益嘗試。