《太阳电池原理与工艺》课程教学内容选编研究

新余学院新能源科学与工程学院 ■ 刘坚

0 引言

太阳电池发电是一种利用太阳能的较好方式[1,2]，近年来国内外太阳电池生产企业如雨后春笋般出现[3,4]。新余市是国家新能源科技示范城，拥有赛维LDK、瑞晶等大型太阳电池企业。新余学院较早开设了光伏材料专业，《太阳电池原理与工艺》是该专业的一门必修课程。笔者在这几年教学中发现，目前理想的《太阳电池原理与工艺》课程的适用教材还十分稀少，使用的教学参考书主要有《太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用》[5]《太阳电池：材料、制备工艺及检测》[6]《太阳能电池基础与应用》[7]《太阳能原理与技术》[8]《太阳能光伏电池及其应用》[9]《光电池及其应用》[10]，它们大都包括太阳电池原理和太阳电池工艺内容。由于这些书的完成时间不同，太阳电池生产工艺和研究成果的内容不同，内容的侧重点也不同：有的偏重原理、有的偏重工艺，也有的偏重高效太阳电池、太阳电池研究进展及世界光伏发电概况介绍等。为了促进光伏人才的培养，笔者从《太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用》和《太阳电池：材料、制备工艺及检测》两本参考书中选取部分内容作为该课程的教学内容。

1 选编内容研究

1.1 《太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用》选编内容研究

《太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用》共有14章，前5章内容为太阳电池原理，后9章内容为硅和化合物半导体太阳电池结构、性能、制作工艺，以及光伏组件、光伏系统和住宅、电力光伏系统。前5章为选编内容：第1章介绍太阳电池的发展概况、太阳电池生产及研究现状、太阳电池发展趋势；地球上太阳光的物理来源，太阳光和地球相对位置、夹角，太阳常数，太阳光在地球上各地的辐照强度及我国太阳光分布强度和日照时间；太阳的视运动。这些内容对学生掌握光伏组件的安装和了解光伏电站的选址具有理论指导意义。

第2章介绍几种光伏材料的晶体结构、能带概念、载流子在能级上分布、本征半导体载流子浓度、掺杂半导体成键模型、施主和受主杂质电离、掺杂半导体中载流子浓度和费米能级、载流子的漂移和扩散等。这些内容是太阳电池工作原理的基础内容。

第3章介绍半导体对光的吸收和反射，直接半导体和间接半导体，光照作用下载流子的产生和复合，辐射复合、俄歇复合、杂质能级中的复合及表面缺陷复合等几种复合，泊松方程、电流密度方程、连续性方程等。这部分内容对学生掌握影响太阳电池效率因素和太阳电池的电学原理具有重要意义。

第4章介绍太阳电池核心部位——p-n结，介绍p-n结的形成，结中空间电荷区电荷分布，载流子的注入，准中性区载流子的扩散流，太阳电池的暗特征、光照特征，太阳电池的短路电流和开路电压的推导过程，太阳电池的填充因子，太阳电池效率等。这些内容是太阳电池原理的核心内容。

第5章介绍影响太阳电池效率的因素及太阳电池的效率极限。影响太阳电池的效率因素有光的吸收和反射、表面电极对太阳光的遮挡、载流子的复合、载流子的跃迁能和带隙宽度存在差异、太阳电池本身的漏电、光伏材料晶体在结区存在缺陷、杂质引起内部漏电、电极消耗的电能等。这些内容为设计制作高效太阳电池提供了理论指导，是学生今后从事太阳电池研究必不可少的内容。

6～14章不适合作为太阳电池工艺教学内容，原因是既无现代太阳电池生产工艺内容，也几乎无高效太阳电池制作技术和硅薄膜太阳电池内容。因此，把上述5章作为选编教学内容的第1～5章。

1.2 《太阳电池：材料、制备工艺及检测》选编内容的研究

《太阳电池：材料、制备工艺及检测》共6篇18章内容。1～3章主要介绍太阳电池原理，4～16章内容为有关晶体硅的生产、晶硅太阳电池生产工艺、高效太阳电池制作技术、硅薄膜太阳电池生产工艺、化合物半导体太阳电池、有机/聚合物太阳电池、染料敏化太阳电池等。17、18章为光伏组件、商业及空间太阳电池性能测试与评价。

第4～10章主要介绍多晶硅和单晶硅的生产、太阳电池的生产工艺、高效太阳电池的结构及性能、硅薄膜太阳电池、硅片的检测、太阳电池性能测试等。这些内容作为太阳电池工艺部分，虽然内容合适，但各章节存在混杂重复内容。如在第5章，既有太阳电池生产工艺内容，又有高效太阳电池内容，而第7～8章中也出现高效太阳电池的内容；再如，第6章硅薄膜太阳电池、第9章非晶硅太阳电池和第10章微晶硅太阳电池，应属于硅薄膜太阳电池，但被拆成3章介绍。

笔者对第4～10章内容作一些调整。将第4章“单晶硅和多晶硅的生产”作为选编内容的第6章“多晶硅的生产和非切片技术”。第5章内容为晶硅太阳电池生产工艺、光伏组件和高效太阳电池，将晶硅太阳电池和光伏组件作为选编内容的第7章“多晶硅太阳电池生产工艺和光伏组件”；第5章高效太阳电池部分并入原教材第7、8章，共同作为选编内容的第8章“高效太阳电池”。第6章“硅薄膜太阳电池”、第9章“非晶硅太阳电池”和第10章“微晶硅太阳电池”，从太阳电池制备材料相态、制备工艺、结构、性能等方面看，这几章都属于硅薄膜太阳电池。因此，将这些内容编成一章，作为选编内容的第9章“硅薄膜太阳电池”。第7章还介绍了硅片及器件的表征和诊断，这是检测太阳电池质量的内容，因此，将它们单独选出，作为选编内容的第10章“硅片的检测及太阳电池性能的表征”。原教材第10章后其余章节的内容可供有兴趣的学生阅读参考，不作选编教学内容。

2 研究结果及讨论分析

2.1 选编的教学内容

第1章“太阳电池和太阳光”：1.1 引言；1.2太阳电池发展概况；1.3 阳光的来源和太阳常数；1.4太阳的视运动；1.5 直接辐射和漫射辐射；1.6地球表面的日照强度和日照常数。

第2 章“半导体的特性”：2.1 引言；2.2 晶体结构和取向；2.3 禁带宽度；2.4 允许能态的占有率；2.5 电子和空穴及其动力学；2.6 允许态的能量密度、载流子密度；2.7 IV族半导体的键模型及其第III和VI族的掺杂剂；2.8 载流子浓度；2.9 掺杂半导体中费米能级；2.10 载流子传输 (2.10.1 漂移；2.10.2 扩散 )。

第3章“产生、复合及器件物理学的基本方程”：3.1 引言；3.2 光的吸收(3.2.1 直接半导体；3.2.2 间接半导体；3.2.3 其他吸收过程)；3.3 复合过程(3.3.1 从弛豫到平衡；3.3.2 辐射复合、俄歇复合、陷阱复合和表面复合)；3.4 半导体器件物理学的基本方程。

第4章“p-n结二极管”：4.1 引言；4.2 p-n结的静电学；4.3 结电容；4.4. 载流子注入；4.5准中性区内的扩散流；4.6 暗特征；4.7 光照特性；4.8 太阳电池的输出参数；4.9 有限电池尺寸对I0的影响。

第5章“效率的极限、损失和测量”：5.1 引言；5.2 效率的极限 (5.2.1 概要；5.2.2 短路电流、开路电压和效率；5.2.3 黑体电池的效率极限)；5.3温度的影响；5.4 效率的损失(5.4.1 短路电流损失；5.4.2 开路电压损失；5.4.3 填充因子损失)；5.5 效率的测量。

第6章“多晶硅的生产和非切片技术”：6.1现代多晶硅生产技术；6.2 晶硅的生产(6.2.1 多晶硅掺硼定向凝固生长；6.2.2 直拉法生产单晶硅)；6.3 电磁连续铸造和区熔法生产多晶硅；6.4晶硅的切片、规格和特性；6.5 非切片技术。

第7 章“多晶硅太阳电池生产工艺和光伏组件”：7.1 引言；7.2 多晶硅太阳电池生产工艺(7.2.1硅片的腐蚀、织构化和限光；7.2.2 硅片的清洗；7.2.3 掺杂制结；7.2.4 前表面钝化和减反射涂层工艺；7.2.5 丝网印刷技术；7.2.6 背结触的形成；7.2.7硅片质量的改进)；7.3 光伏组件的结构和材料。

第8章“高效太阳电池”：8.1 高效太阳电池开发原理、技术；8.2 空间高效太阳电池；8.3 地面高效太阳电池(8.3.1 MINP太阳电池、PESC太阳电池；8.3.2 背面点接触太阳电池；8.3.3 PERL太阳电池)；8.4 埋栅太阳电池；8.5 HIT太阳电池。

第9章“硅薄膜太阳电池”：9.1 引言；9.2硅薄膜太阳电池的陷光；9.3 提高硅薄膜太阳电池的电压；9.4 硅薄层沉积和晶体生长；9.5 衬底减薄的硅薄膜太阳电池；9.6 硅薄膜转移技术；9.7 非晶硅和微晶硅太阳电池概念、制作技术；9.8 PECVD制备硅薄膜技术；9.9 氢化非晶硅——a-Si:H；9.10 a-Si:C:H制作技术；9.11 光致退化；9.12 非晶硅太阳电池的生产；9.13 非晶硅太阳电池的发展趋势。

第10章“硅片的检测及太阳电池性能的表征”：10.1 引言；10.2 硅片少子寿命的测量；10.3硅片电阻的测量；10.4太阳电池开路电压、短路电流和载流子寿命关系；10.5晶硅太阳电池I-V特性测量和效率的测量。

2.2 讨论分析

2.2.1 太阳电池参考书中内容选择的分析

本文所选编的教学内容是笔者从前期教学所使用的较熟悉的教学参考书《太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用》和《太阳电池：材料、制备工艺及检测》中选取，因此，本文研究结果只是一个初步选编结果。引言部分所列出的其他4本教学参考书尽管成书时间不同，但由于太阳电池原理理论成熟较早，所以，这部分内容也可从它们中再选编，它们的其他内容也各有特色和优点。例如，《太阳能电池基础与应用》内容丰富、原理和工艺介绍全面深入，体系编排结构清晰合理，语言使用科学规范，是一本供从事太阳电池生产和科研人员使用的很好的参考书。所以，在保持章节体系不变的前提下，后续的研究将会从它们中比较分析选取内容，取代已选编的内容或增加内容。

2.2.2 太阳电池教学内容选择的分析

本文选编的《太阳电池原理与工艺》教学内容既有原理内容也有工艺内容。有关太阳电池工艺内容的选择进行如下分析：晶硅太阳电池是已产业化的最成熟、最多的太阳电池，因此，有关它的内容选择较多。硅薄膜太阳电池虽然光电转换效率比晶硅太阳电池要低，但它生产成本比晶硅太阳电池低，在现代光伏企业的生产中依然存在，因此对硅薄膜太阳电池教学内容也作了精心的选编。高效太阳电池是科研单位和企业研发的热点，因此，也选编了相关的教学内容。太阳电池性能测试是学生今后从事光伏工作和研究需必备的技术，也作了选编。

本文选编的教学内容是为开设《太阳电池原理与工艺》这门课的本科教学尝试选编的，符合教学大纲教学时数为64节的要求(见表1)。

表1 教学内容及教学时数安排

由于教学时数的限制，以及太阳电池原理和硅材料太阳电池教学内容是学习其他太阳电池的基础，因此，无机化合物膜薄太阳电池、有机/聚合物太阳电池、染料敏化太阳电池等内容不选作本课程教学内容，有兴趣学生可以自学。

3 结束语

笔者从已使用过的教学参考书中初步选取了《太阳电池原理与工艺》课程教学内容并将它们进行了归类整理。选编的内容较丰富，内容编排结构体系更为清晰完整，消除了原有参考书重复混杂现象，符合教材的特点。选编的教学内容对当前本、专科开设《太阳电池原理与工艺》这门课的教学具有一定的参考价值。后续的研究将在章节体系不变的前提下，从其他参考书中选取内容，取代或增加原有的已选编的教学内容，使选编内容更加合理完善，以适应光伏人才培养的需要。

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[7] 熊绍珍, 朱美芳. 太阳能电池基础与应用 [M]. 北京: 科学出版社, 2009.

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