《薄膜太阳电池工艺与应用》课程教学研究初探

何　波

(1 东华大学理学院应用物理系，上海 201620；2 广西大学广西制造系统与先进制造技术重点实验室(机械工程学院)，广西南宁 530004；3 华东理工大学超细材料制备与应用教育部重点实验室，上海 200237)



《薄膜太阳电池工艺与应用》课程教学研究初探

何波1，2，3

(1 东华大学理学院应用物理系，上海 201620；2 广西大学广西制造系统与先进制造技术重点实验室(机械工程学院)，广西南宁 530004；3 华东理工大学超细材料制备与应用教育部重点实验室，上海 200237)

摘要：薄膜太阳电池因成本低廉、光电转换效率高已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点，因此，“薄膜太阳电池工艺与应用”是光电子科学与技术、应用物理学等相关本科专业的一门重要的技术基础选修课程。该文初步探讨了课程特点、学生情况、教学手段及考核方式的教学改革，以期提高本科生的专业基础和科研能力，获得较好的教学效果。

关键词：薄膜太阳电池工艺，教学改革，教学手段

目前市场上使用的太阳电池主要是体材料的单晶硅/多晶硅pn结电池，因为晶硅体材料的厚度约为250μm，导致其成本比较高。薄膜太阳电池是将一层或几层薄膜制备成pn结或肖特基结的太阳能电池[1-2]。因其使用太阳光吸收层材料极少(厚度仅为数微米)，更容易降低成本和大面积连续生产。它另外一个特点是可被制成柔性可卷曲形状，这使得它既是一种高效率、低成本能源产品，又是一种新型绿色建筑材料，更容易与建筑完美结合。所以薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点，在建筑光伏一体化、荒漠电站、空间电源等领域具有广阔的应用前景[3-5]。因此，东华大学理学院应用物理系开设了《薄膜太阳电池工艺与应用》课程，该课程是光电子科学与技术、应用物理学等相关本科专业一门非常重要的技术基础选修课程。

1课程特点

该课程作为光电子科学与技术专业方向选修课，旨在让学生了解薄膜太阳电池的基本结构、工作原理、制备工艺和应用以及发展的趋势和动态，为今后从业奠定扎实的理论和实践基础。

本课程主要内容包括：太阳能电池的基本工作原理及表征参数，硅基薄膜电池，Ⅲ—Ⅴ族化合物太阳电池，碲化镉(CdTe)薄膜电池，铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池，染料敏化纳米晶太阳电池。

(1)太阳电池光伏物理基础

讲解半导体中电子态与能带结构，半导体中的杂质与缺陷，平衡态载流子分布，半导体光吸收，非平衡载流子产生与复合，载流子输运性质。理解pn结伏安特性，pn结电容，光生伏特效应，太阳电池电流-电压特性分析，太阳电池性能表征，量子效率谱，太阳电池效率分析，太阳电池效率损失分析。让学生掌握了解器件模拟的意义，硅基薄膜电池的电学模型，硅基薄膜电池的光学模拟。

介绍MIS太阳电池、PERL太阳电池、刻槽埋栅太阳电池、HIT太阳电池器件结构及性能。

(2)硅基薄膜电池

硅基薄膜电池包括非晶硅薄膜电池、微晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池。目前市场上主要是p-i-n结构氢化非晶硅薄膜太阳电池。氢化非晶硅一般通过PECVD使硅烷分解沉积而制成。非晶硅的禁带宽度为1.7eV，通过掺硼(BH3)或掺磷(PH5)可得到p型或n型氢化非晶硅薄膜。

这时，一个朋友告诉他让他们寻找“代孕妈妈”，这重新燃起了陈清和方达生夫妇的希望。他们去医院咨询，医生告诉他们，雇佣“代孕母亲”就是将雇主的受精卵移植到“代孕妈妈”的子宫内孕育，生出来的孩子仍然属于雇主。

讲解硅基薄膜物理及材料特性，硅基薄膜太阳电池结构及工作原理，多腔室PECVD沉积系统结构及沉积动力学。

(3)高效Ⅲ—Ⅴ族化合物太阳电池

砷化镓(1.42eV)薄膜电池是在单晶锗衬底上以金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制成的薄膜太阳电池，其多结叠层Ⅲ—Ⅴ族化合物太阳电池，具有30%以上高光电转换效率，特别适用于空间卫星的能源系统上。

讲解Ⅲ—Ⅴ族化合物太阳电池的制备方法：液相外延法(LPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延法(MBE)。使学生掌握GaAs单结电池，GaAs系列多结叠层太阳电池，Ⅲ—Ⅴ族聚光太阳电池的器件结构和工作原理。

(4)碲化镉(CdTe)薄膜电池

碲化镉(CdTe)是Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体，它具有直接带隙(1.45eV)。CdTe具有很高的光吸收系数，仅2微米厚的CdTe就足够吸收AM1.5条件下99%的太阳光。使得CdTe成为可以获得高效率的理想太阳电池材料之一。

讲解n-CdS/p-CdTe异质结太阳电池能带图，介绍CdTe薄膜先进制备技术：近距离升华法、磁控溅射法、丝网印刷法等。

(5)铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池

铜铟镓硒(CIGS)薄膜材料吸光范围非常宽，而且在户外环境下的稳定性也相当好，其具有高光电转换效率及低材料制造成本，因此被视为未来最有发展潜力的薄膜太阳电池种类之一。

讲授CIGS薄膜太阳电池发展史，CIGS薄膜太阳电池吸收层材料，C1GS薄膜太阳电池的典型结构，CIGS薄膜太阳电池的器件性能，CIGS薄膜太阳电池的异质结特性，柔性衬底CIGS薄膜太阳电池，CIGS薄膜太阳电池的发展动向。

(6)染料敏化纳米晶太阳电池

染料敏化纳米晶太阳电池(DSSCS)主要包括：镀有透明导电薄膜和纳米晶层的玻璃基底、有机染料、还原电解质以及对电极几部分。

讲解染料敏化纳米晶太阳电池的结构和组成、工作原理、光伏特性及其稳定性，介绍染料敏化纳米晶太阳电池未来的发展。

2学生情况

每年选修该课程的本科生约有40多名，其中80%是东华大学理学院应用物理系光电子科学与技术和应用物理学专业的本科三年级学生。

3课程教学实施

3.1课堂教学

教师课前认真备课，独立制作开发《薄膜太阳电池工艺与应用》多媒体课件(如图1所示)，撰写讲义。在课堂教学中采用PPT电子课件+黑板板书的方式授课，力图做到基本物理概念、图像清晰，基本内容深入浅出、易于理解。既有基本公式的推导和必要理论知识的分析，也有典型应用实例，国内外近期发展现状。在教学过程中，注重学生是学习主体的地位，师生互动，课堂交流、讨论，充分激发学生的积极性和进取心。经学生反馈，使用制作开发的《薄膜太阳电池工艺与应用》多媒体课件，可以取得良好的教学效果。

图1　制作开发的《薄膜太阳电池工艺与应用》多媒体课件页面展示

3.2课堂分组讨论

将学生每5人分为一组，并给每个小组分配演讲专题任务。通过课前一起查阅相关文献资料，制作PPT专题课件。然后在任课老师的组织下，各小组学生分别上讲台(给其他所有学生)演讲PPT专题课件，并进行交流讨论。这既让学生巩固了专业基础知识，又培养了自主学习，查阅文献和制作PPT课件的综合能力。

3.3课程实验

图2　东华大学纤维材料改性国家重点实验室的多功能

组织学生到东华大学纤维材料改性国家重点实验室参观多功能超高真空磁控溅射镀膜系统(如图2所示)，到上海某公司太阳能电池生产基地参观实习，进一步加强了学生动手实践能力，并对薄膜制备设备有了进一步深入的认识。

3.4考核方式

本课程学生成绩由平时成绩、口试成绩和小论文成绩构成。其中作业占20%，口试占20%，小论文占60%。平时成绩包括课堂出勤签到情况和平时作业(阅读相关文献并翻译)，口试成绩是用PPT汇报所阅读文献的情况，小论文成绩是结合学习内容就感兴趣的章节撰写综述性小论文，其中要求学生必须要有自己的想法(即用课堂中学习的知识解释综述里的内容，学生自己的想法必须要用黑体加下划线标出)。

4结语

通过“薄膜太阳电池工艺与应用”课程的学习，使学生掌握薄膜太阳能电池的基本工艺和应用，并了解薄膜太阳能电池发展趋势，能初步阅读一些外文文献。该文初步探讨了该课程的特点、学生情况、教学手段及考核方式的教学研究改革，以期提高本科生的专业基础和科研能力，获得良好的教学效果。

致谢

感谢超细材料制备与应用教育部重点实验室(华东理工大学)开放课题基金(编号：15Q10932)的项目资助。

参考文献

[1] 叶志镇，张银珠，黄靖云.以科研促进《薄膜材料技术与物理》专业课程的教学改革[J].材料科学与工程学报，2010，28(3)：474-476.

[2] 黄凯，余江应，盛守奇.半导体薄膜研究性实验教学的探索与实践[J].物理实验，2012，32(4)：9-12.

[3] 何波，马忠权，徐静.新型SINP硅蓝紫光电池的研究[J].中国科学E辑：技术科学，2010，40(4)：407-416.

[4] 何波，马忠权，赵磊.新型SINP硅光电池C-V/I-V特性及光谱响应的研究[J].光电子技术，2009，29(4)：218-225.

[5] Bo He，HongZhi Wang. Fabrication and characterization of amorphous ITO/p-Si heterojunction solar cell[J]. SCIENCE CHINA Technological Sciences，2013，56(8)：1870-1876.

Research and Exploration of Teaching for the Course of Technology and Application of Thin Film Solar Cells

HE Bo1，2，3

(1 Department of Applied Physics，Donghua University，Shanghai 201620，China；2 Guangxi Key Laboratory of manufacturing system and advanced manufacturing technology，School of mechanical engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China；3 The Key Laboratory for Ultrafine Materials of The Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

Abstract：Thin film solar cells are of low cost and high efficiency. They have become the new trend and hotspot of the development in the international PV market. Therefore，the technology and application of thin film solar cells is gradually becoming an important course for college students of optoelectronic science and applied physics. In order to improve undergraduate professional foundation and enhance teaching quality in class，the teaching reform of teaching contents，characteristics and teaching methods were analyzed in this paper.

Key words：thin film solar cells technology，teaching reform，teaching methods

中图分类号：G 642.0