“太阳能电池原理与技术”课程的教学研究

沈 玲,张 伦，李明雪

(中国矿业大学 物理学院，江苏 徐州 221116)

2010年，国家和教育部为适应能源产业发展趋势而设立新能源材料与器件专业，随后有二十多所高校陆续开设了该专业[1]。作为把太阳能直接转换成电能的装置，太阳能电池是该专业一个重要的方向。围绕太阳能电池的上，中，下游产业链发展而成的光伏产业，近年来作为国家重点支持的战略性新兴产业也得到蓬勃发展[2-3]。因此，光伏产业对太阳能人才的需求一直居高不下。近年来，随着诸多欧洲国家陆续取消光伏补贴，光伏企业面临更加激烈的市场竞争。为了提高产品的竞争力，这些企业对相关从业人员的专业水平提出了更高的要求。因此，为了提高学生就业时的竞争力和就业后解决实际问题的能力，非常有必要进行太阳能电池课程的教学研究。但是，光伏产业作为一种新兴产业，涉及到的知识点比较多，对学生的要求比较高。

本文通过对这门课程的研究，希望实现这样的目标：既能形象生动，深入浅出地讲解太阳能电池相关的物理、材料、化学等专业的基础知识，为学生建立坚实的理论基础；又能提供大量的电池实例，让学生掌握太阳能电池材料制备和参数优化等实际技能，培养解决实际问题的能力，为将来的工作提供重要积累。同时我们还会利用PVlighthouse的在线软件资源建立基于PC1D模拟软件和等效电路编辑器的资源库[4-5]，使学生在理论学习的同时，也能参与到实践环节，激励学生在其已掌握的知识框架内对各类电池进行深度分析，进而掌握在每一种电池的结构设计和参数设置背后的理论依据和技术路线。

1 内容编排研究

《太阳能电池原理与技术》课程基本上包括两部分内容：一是太阳能电池原理；二是各种类型的电池技术。这两部分既紧密相关又有明显不同，缺一不可。所以，我们按照 1∶1 安排两部分教学的学时，并根据各自特点而采用不同的教学方法。选取合适的教材是至关重要的第一步。我们调研的参考书包括《太阳能电池：材料、制备工艺及检测》《光伏电池原理及应用》《太阳能电池基础与应用》《太阳能电池物理》《太阳能原理与技术》《太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用》和《太阳能光伏电池及其应用》等[6-12]。它们的内容大都包括太阳能电池原理和工艺技术，但由于面向的对象不同，内容的侧重点也有差别。换句话说，还没有一份适合物理学院非光伏专业学生的理想教材。因此，自编讲义显然更加方便。编写讲义的过程中，考虑到该专业的学生缺少半导体物理和器件的背景知识，太阳能电池原理这部分内容主要参考《半导体物理学》[13]及《光伏电池原理及应用》，而太阳能电池技术这部分内容则主要参考《太阳能电池：材料、制备工艺及检测》中的部分内容和一些最新的太阳电池的科技文献。在太阳能电池原理的部分，依次介绍半导体能带理论、掺杂、费米能级、本征和杂质半导体、载流子的产生与复合、载流子的输运、非平衡载流子、复合理论、半导体PN结和太阳能电池基本原理。在太阳能电池技术的部分，介绍晶体硅太阳能电池、薄膜电池、聚光电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池等，涵盖了《光伏电池原理及应用》第四章至第十一章的大部分内容，并补充了《太阳能电池：材料、制备工艺及检测》中的部分内容和钙钛矿太阳电池的最新科技文献[14-15]。

2 太阳能电池原理的互联网融合式教学研究

电池原理这部分涉及到内容编排提及的内容，共计5章。这些内容的理论性强，又涉及大量公式。详细推导所有公式进行讲解，既枯燥又耗时，学生很难接受。另一方面，如果仅用flash动画或图示的方法进行简单的物理描述，又很难让学生深入理解太阳能电池的器件物理，难以明白表面背后的物理依据从何而来。因此，在教学中，我们借助互联网工具和技术进行融合式教学，丰富学生的课堂体验。具体操作上采用物理描述、数学公式和软件模拟计算三者相结合的方法。首先对知识点进行定性的物理描述，然后给出相关公式并进行定量的解释，最后用PC1D软件进行模拟计算，让学生通过直观感受建立清晰的物理图像。下面将以具体实例说明该教学方法及其优点。

众所周知，半导体PN结是太阳能电池的核心结构，掌握半导体PN结的形成过程及特性对掌握太阳能电池的工作原理以及结构设计具有重要作用。我们在教学中首先用flash动画演示了PN结的形成过程，接下来介绍耗尽层、內建电场和內建电势差等概念。然后给出PN结中载流子浓度、内建电场和內建电势差的数学表达式，并简要地解释公式的由来和意义。学生在短时间内对这么多名词和公式只能做到一知半解。所以，我们采用PC1D软件模拟计算的方法将硅的基本参数代入到公式中，进而画出PN结的载流子浓度、电场强度和能带曲线的一维分布图。借助这些曲线来讲解PN结特性更加直观明了，容易接受。通过改变掺杂浓度或带隙宽度等参数，帮助学生深刻理解内建电场及内建电势差的物理意义。此外，为了节省课堂时间和激活学生课下学习的热情，将PC1D软件程序放置在网上学习群中，供学生下载学习，达到巩固课堂学习效果的目的。

这部分的另一个重点是太阳能电池的等效电路，其被广泛用于电池的结构设计和失效分析。电池等效电路从电学角度上看并不复杂，包括恒流源、二极管、串联电阻和并联电阻这些电学元件。不过，在实际情况下，仅凭定性分析，却很难解释一些失效现象。为此，我们除了讲解等效电路公式和相应的电路图，还要介绍PVlighthouse的一个等效电路编辑器。具体来说，在这个等效电路编辑器中，一方面通过设置串联电阻为零和并联电阻无穷大而获得理想的电流-电压曲线，介绍电池特性参数，包括：短路电流、开路电压、最大转换效率、填充因子等。另一方面通过真实的电池等效电路，向学生展示漏电、电极失效等情况的电流电压曲线，进行失效分析。同时将这个在线编辑器的网址链接放置在线上的学习群中，供学生线上练习。

互联网融合式教学方法在以上两个实例中，不但让学生在课堂上对干巴巴的理论学习产生可视化的体验，还可以在课堂之外，利用软件充分参与到设计环节，并且获得学以致用的自信心和成就感。

3 太阳能电池技术的理论联系实际式教学研究

电池技术部分主要介绍各类型电池的结构设计和工艺技术。这部分的实践性非常强，有利于培养学生解决实际问题的能力。因此这部分需要进行理论联系实际的教学。下面将以具体实例说明该教学方法及其优点。

课堂教学将围绕结构设计和工艺技术这两个方面详细介绍几种高效晶硅电池如钝化发射极背面局域扩散电池(PERL),钝化发射极及背局域接触电池(PERC),激光刻槽埋栅电池(BCSC),本征薄层的异质结电池(HIT)的同时，不断提出实际问题，让学生结合之前的理论知识进行回答。比如，PERL电池的背面设计有何好处？与PERC相比，有何不同？BCSC的表面电极与普通其它电池的设计相比有何优势？HIT电池的开路电压为何大于晶硅同质结？

另外，在介绍以碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)为代表的薄膜电池、基于三五族化合物的聚光电池、染料敏化太阳能电池和时下最热门的钙钛矿太阳电池时，由于教学时数的限制，这些电池主要介绍它们的特点，工艺技术，研究动态等。但仍可以通过不断提出问题，加深学生的理解。比如，CdTe，CIGS和三五族化合物材料的共同特点是什么？三五族多结电池的各个子电池在电学上是并联还是串联？其短路电流和开路电压与何有关？

一个又一个问题抛向学生，引发头脑风暴的同时，使学生能掌握这些电池在结构设计和参数设置背后的理论依据，以及可能存在的实际问题。

然而，通过教学反馈，我们也认识到课堂教学在工艺技术方面存在的问题，即无法使学生对工艺技术产生非常好的感性认识，这与工艺路线的流程过于复杂密切相关。就拿最简单的丝网印刷商业晶硅电池来说，制备工艺就包括了切片、清洗、制绒、扩散、刻蚀、二次清洗、蒸镀减反膜、丝网印刷、烧结和测试筛选这十个大步骤。学生大多通过背诵记住这些名词，但往往无法仅凭记忆去理解这些步骤之间的前后因果关系及每一步的不当处理会对最终电池各个参数有怎样的影响。经过讨论，这部分的学习由理论和实际两个环节组成，即在课堂学习硅太阳能电池的工艺流程和在生产实习中到光伏公司的生产车间进行参观实习。通过理论联系实际的方法，让学生系统性地了解晶硅电池制备的各个步骤，深刻理解太阳能电池的工艺技术和电池特性参数如开路电压，短路电流，填充因子及反向饱和电流密度等之间的关联，深化和完善太阳能电池的理论体系。

理论联系实际式教学方法在以上实例中，不但显著提高学生的课堂参与度和积极性，还让学生在自主的实践中获得应用理论知识去分析和解决实际问题的能力。

4 结束语

作者总结《太阳能电池原理与技术》课程的教学心得，对课程教学内容及教学方法进行研究。通过引入模拟软件PC1D和等效电路编辑器这两个在线软件资源，学生进行真正的研究型学习的同时，也培养了理论联系实际的习惯。生产实习有助于建立学生对工艺技术的感性认识。经过这门课程的学习，学生可以胜任光伏领域的研发和技术工作。