本科生创新型综合实验可溶液法加工纳米晶太阳电池的设立与实践

覃东欢 王丹

摘  要 基于国家自然科学基金项目引导的本科综合性实验，是提高大学生动手能力、提高理论结合实践能力的有效办法，也是全面提高大学生综合素质的有效手段。该综合实验包括实验大纲编写、实验内容设立、过程管理、教师指导、实验结果评价及分析等。学生根据实验内容与要求开展实验，分析实验结果并完成实验报告。实验过程中成员配合的熟练程度、实验人员动手能力都对实验结果影响巨大。通过综合实验的设立，提高了学生的动手能力，培养了学生浓厚的科研兴趣，为学生即将开始的毕业设计打下良好的基础。

关键词 太阳能电池;纳米晶;本科生;综合实验

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）07-0125-03

1 引言

基于项目引导的本科生创新型综合实验，对于培养学生的科研热情以及提高学生动手能力有着重要意义，也是大学生开展探究式学习的重要途径[1-3]，得到许多高校的高度重视和大力支持。培养高、精、尖人才一直是985高校的重要任务和使命。本科生生源质量对于研究型大学的后续发展至关重要。理工类院校尤其强调学生的实际动手能力，因此设立一些具有前瞻性、创新性并有一定基础的本科综合实验是非常必要的。

“可溶液法加工纳米晶太阳电池”综合实验是在课题组教师从事此类研究十多年的基础上提出的，因而具有扎实的基础和很高的可执行性。2005年，美国科学家Alivisatos[4]等人在国际著名期刊Science上首次提出溶液法加工碲化镉-硒化镉纳米晶太阳能电池，引起业界的高度关注及跟进。这种太阳能电池的主要特点有：光活层均采用溶液加工的方式进行，可以在一般的通风橱里进行，不需要传统的超净室，制备成本远低于传统的碲化镉薄膜电池;原材料利用率高，理论上可达到100%的利用率;工艺简单;厚度小，大大节约原材料的使用;可发展为卷对卷大面积制备工艺，进一步降低电池成本。

纳米晶太阳能电池从原材料纳米晶的合成及分散到最后器件的成型与测试，均可在实验室完成，主要步骤包括：纳米晶碲化镉、硒化镉、氧化锌前驱体的合成;ITO（氧化铟锡）导电玻璃的清洗;纳米晶光活層的溶液法加工制备;电极蒸镀;电池性能的测试及分析。在这些过程里使用到的科研设备包括超声波清洗器、旋涂仪、加热台、热蒸发设备、标准模拟太阳光测试设备等，同时需要使用很多实验辅助工具如镊子、移液枪、培养皿等，需要使用多种化学溶剂。全部实验可以分为三大块：溶液法加工纳米晶活性层;电极蒸镀;电池的测试、分析、实验报告。每一部分需要一天的时间，共需要三天。因此，这个实验是综合性的大型实验项目。

经过十多年的探索，该课题组在纳米晶太阳能电池方面取得丰硕的研究成果，已经发表SCI论文30多篇。尤其在碲化镉纳米晶电池方面，首次设计了全新的倒置器件结构，并引入新型界面材料层，已经实现8%以上的能量转换效率，处于国际领先水平，发表了一系列的科研论文[5-7]。该综合实验正是在课题组多年来发展起来的成熟的器件制备工艺的基础上提出的，该综合实验的顺利开展，培养了一批光电高水平人才，推动了本科生创新工作的进行，也取得丰硕的成果，本科生发表多篇与该综合实验相关的SCI论文 [8-10]。

2 创新型实验设计

如图1所示，该综合实验由三部分组成，其中溶液法加工纳米晶光活层是核心的内容，器件性能的好坏主要由该部分的实验所决定。参考已有的研究工作基础，该实验采用的器件结构为ITO/ZnO/CdSe/CdTe/MoOx/Au。其中ZnO界面层以及CdSe、CdTe光活层均采用匀胶机旋涂制备，MoOx界面层以及Au电极可以通过热蒸发的方式制膜，ZnO界面层以及CdSe、CdTe纳米晶薄膜的制备需要结合化学处理以及层层烧结的工艺。制备ITO/ZnO/CdSe/CdTe整个流程下来需要4～5个小时，为了保证实验的顺利进行，通常需要设立一天的实验，同时需要3～5位学生一组共同配合完成。实验要求每人独立完成两个器件的制备。

实验过程中对于夹片、刮片、化学处理、热处理时间、吹片等有较高的要求。为保证实验的质量，实验之前由教师带领几位曾经参加过此类工作且熟练程度很高的高年级学生将制备流程拍成视频，并配备相应的讲解，要求即将参加本次实验的学生在实验之前都要认真观看几遍。即便如此，对于平时动手能力差、不善于沟通的学生来讲，难度也是很大的。通常整个实验下来，最多有10位学生能够娴熟操作，并取得比较理想的器件性能。

通过这样的综合实验，绝大多数学生得到很好的科研锻炼，对于薄膜太阳能电池的制备工艺有了深刻理解，同时激发了进一步研究的热情。课题组教师根据实验评价结果，挑选出一些能力较强且学有余力的学生组成科研团队如国创团队等，在教师的指导下开展与该综合实验相关的创新性科研工作，由于这些学生前期已经拥有良好的实验基础，对于导师设立的课题能够很快理解并独立开展科研工作，为取得创新性成果奠定基础。

3 实验支持体系

该综合实验的顺利开展，得益于学校的大力支持：在购置药品、易耗材料（包括化学药品、玻璃仪器、工作服、手套、蒸镀用金属等）、实验室安排等方面给予足够的资金支持;优先支持本综合实验成绩优秀的学生申请各类大学生课外科研活动基金，为大学生创新活动取得高水平成果打下基础。可以说，如果没有学校的大力支持，开展这种规模较大、有一定耗费的综合实验是非常困难的。在实验过程中为了保证人员的安全，学校也配备了相应的实验员对学生进行有效管理。同时，学院也非常重视本综合实验的开展，提供了配备齐全的化学实验室。

4 实验运行成绩评价

该实验的评价“重结果，轻过程”，学生综合实验成绩组成为：平时成绩占20%，主要根据学生实验态度、专注度等打分;实验成果指标占60%，这部分的打分根据学生所制备的太阳能电池器件的性能进行划分;实验报告书写规范性占20%，主要评价学生是否按照实验报告的要求进行书写，同时检查语言的流畅性。其中，根据该课题组已发表的SCI论文所达到的水平，器件性能的划分档次如下：

一檔，器件能量转换效率超过7%，100分;

二档，器件能量转换效率5%～7%，90～100分;

三档，器件能量转换效率4%～5%，80～90分;

四档，器件能量转换效率3%～4%，70～80分;

五档，器件能量转换效率3%以下，60～70分。

从两年来的实施来看，通常学生实验的热情度非常高，很多学生为了更好地完成实验，往往花费比预定时间更长的时间。但从实验结果来看，大多数学生（85%）所制备的太阳能电池器件性能在3%以下，这说明实验所设立的难度是很大的。值得注意的是，大约有5%的学生实现了5%～7%的转换效率，经过分析发现，这些学生平时非常活跃，积极参加学校设立的各种科研项目，已经具备一定的基础，在实验过程中操作非常流畅和规范，能够吃透每一步实验的精髓，因而能取得非常理想的结果。通常，指导教师对这一部分学生比较关注，通过综合学生本人在实验中的表现以及平时表现，挑选出合适的人选进行与本综合实验类似的创新性研究。

5 实验实施效果

本综合实验实施两年来，对参与的学生做了专门的调研报告，得出一些有价值的反馈：

1）认为这个综合实验是否有必要开设这个问题，98%的学生认为非常必要，只有2%的学生选择一般或者不知道;

2）在“综合性实验是否对本科生科研创新有促进作用”的回答中，80%以上的学生选择“有，作用很大”，18%的学生选择“有一定的作用”;

3）在“综合性实验与课程内容相关性以及是否有拓展”方面，86%的学生选择“有，相关性大”，12%的学生选择“有，有一定相关性”;

4）在实验难度设计方面，65%的学生认为“很难”，30%的学生认为“较难”，5%的学生认为“容易”;

5）对于本综合实验，86%的学生“非常感兴趣”，11%的学生“比较有兴趣”;

6）对于本综合实验的收获，87%的学生认为“收获很大”，10%的学生认为“有一定收获”。

综合以上，说明本综合实验的开设是广受欢迎的，并且对于学生综合素质的培养有很大的促进作用。另外，课题组根据学生在综合性实验中的表现，设立一些研究小组，成员在开展科研之前已经具备一定的独立工作能力，通过与学生进行方案设计、创新设计以及实验内容探讨，明确实验目标，然后放手让他们独立完成本应该是研究生完成的工作。研究小组经过一年多的努力，取得大量研究成果，其中以研究小组成员作为第一作者，发表SCI论文五篇，有两篇影响因子3.5;申请发明专利六项，有两项获得批准。研究组成员获得多项荣誉，包括材料创新大赛一等奖以及其他一些重要的奖项。可以说综合实验的实施是提高本科生综合素质教育非常重要的一环。

6 实验优化设计

经过几年的摸索，对实验设计进行多次优化。如上所述，综合实验的第一部分是溶液法加工纳米晶光活层，这一部分耗时最长，也是最考验学生动手、动脑、协作等能力的重要一环。前期开展的实验由于经验不足，往往浪费很多时间和精力，根据实验反馈的问题进行必要改进。首先，将实验分为上午和下午各三个小时，上午和下午的实验内容明确化;其次，人员进行优化组合，每一个小组配备一位有一定科研经历的学生，起到传帮带的作用;最后，实验员细化材料的配置、器件的放置以及负责实验进度的提醒等。

7 结语

该综合实验经过几年的不断探索与完善，在学校办学宗旨指导下，在学校教学实践部门的大力支持下，课题组建立了完善的综合实验内容，设立了完善的综合实验管理体系，形成良好的实验管理制度。学生结合“光伏太阳能电池器件”这门选修课程，在指导教师以及实验员的帮助下，独立完成可溶液法加工太阳能电池器件的制备与测试，学会了团队合作，增强了自主操作能力，对于光电领域的科研有了一定的认识。通过参与本实验，为进一步开展科学研究打下坚实的基础。该综合实验的实施广受欢迎，学生的参与热情很高，在随后的科研实践中取得非常显著的成果。■

参考文献

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