太阳电池制备实验教学中虚拟现实技术的应用

李 敏，陈丽霞，田 华，马 蕾，常 亮，孙荣霞，张 雷，张 欣，闫小兵

（1. 河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002；2. 河北大学 光伏技术虚拟仿真实验教学中心，河北 保定 071002；3. 河北大学 综合实验中心，河北 保定 071002）

近年来，对可再生清洁能源的需求迅猛增长，国内太阳电池行业得到快速发展[1-2]。太阳电池的生产对环境要求高、且需使用高危险性的化学气体，不便于学生到薄膜电池制造企业进行深入实习[3-5]。为创造良好的实验教学环境，提高学生的综合实践能力，并实现校企科研人才、技术的交流，我校开发了太阳电池制备及应用虚拟仿真实验教学体系[6-7]。

1 太阳电池制备及应用虚拟仿真教学体系

我校国家级光伏技术虚拟仿真实验教学中心根据电子科学与技术、新能源材料与器件、电气工程及其自动化等光伏技术相关专业的培养目标，制定了“一主线、四平台、五层次”的教学体系，建立了光伏材料、电池制备和应用实验教学主线，连接光伏材料实验、太阳电池制备实验、光伏发电实验和专业基础实验等4 个实验平台，建设了专业基础型、专业设计型、综合设计型、工程实训型、工程创新型等5 个层次的实验教学内容，形成了完整的太阳电池制备及应用实验教学体系[8-10]，如图1 所示。

虚拟仿真实验教学中心结合学校的“中西部综合实力提升计划”，按照教学大纲的要求，以学生为主体，在平台上开设了32 门涉及光伏技术的虚拟仿真实验课程，包含150 余项实验，覆盖从光伏材料到光伏发电的所有专业知识[11]。虚拟仿真实验资源的架构如图2 所示，其中，太阳电池制备实验平台包括光伏器件性能测试、薄膜太阳电池制备和晶硅太阳电池制造3 个系统[12]。光伏器件性能测试系统包括太阳电池暗特性测量、太阳电池输出特性测量、太阳电池温度特性测量、太阳电池I-V 特性测量等虚拟仿真软件。薄膜太阳电池制备系统包括TCO 膜的溅射、电池有源层的沉积、ZnO 阻挡层的沉积、金属电极的溅射等虚实结合仿真实验软件。晶硅太阳电池制造系统包括硅片清洗、制绒、磷扩散、氮化硅薄膜沉积、丝网印刷、烘烤烧结、测试分选等实物实验。

图1 虚拟仿真实验教学体系

图2 光伏技术虚拟仿真实验资源架构图

2 太阳电池制备虚拟仿真实验应用实例

硅基薄膜太阳电池以其制作成本较低、原材料无毒而成为当前薄膜太阳电池生产的主流。“硅基薄膜太阳电池的制备与测量”虚拟仿真实验项目依托国家级光伏技术虚拟仿真实验教学中心的太阳电池制备平台，为学生提供了身临其境的实验场景。

2.1 虚拟仿真实验设备、材料和项目功能模块

硅基薄膜太阳电池的制备与测量实验涉及的虚拟仪器主要有超声波清洗仪、磁控溅射设备、PECVD 设备、薄膜太阳电池性能测量设备等，如图3 所示。所需要的虚拟材料主要有玻璃、AZO 靶材、Al、无水乙醇、去离子水、丙酮（有毒）、Ar 气、SiH4（易燃易爆）、H2（易燃易爆）、B2H6（有毒）、PH3（有毒）。

在仿真实验主界面，设有玻璃衬底清洗、TCO 膜沉积、P 层制备、I 层制备、N 层制备、Al 膜沉积和电池性能测量7 个实验项目的选择按钮。

通过主界面上的“帮助”“项目背景”“实验目的”和“相关知识”按钮，可为学生顺利完成实验提供帮助。将鼠标依次点击实验步骤的按钮时，按钮和屏幕上对应的步骤名称同时高亮显示并开始实验。实验界面提供训练模式和考核模式2 种实验模式。训练模式有提示功能，学生可根据提示完成实验操作。考核模式无提示功能，当学生完成实验操作后，平台根据实验过程自动给出本次实验成绩。

图3 部分虚拟仿真实验设备

2.2 虚拟仿真项目的微观机理揭示

在“电子科学与技术”“新能源材料与器件”“光学工程”等专业实验课程中，硅外延层沉积、氧化层的热生长、扩散和薄膜沉积等实验都涉及微观粒子运动的过程；而这些微观粒子的运动状态和过程在普通实验条件下是观察不到的。在硅基薄膜太阳电池的制备与测量虚拟仿真实验中，为了让学生较好地理解电池有源区结构参数对其电学特性的调控作用，可以分别设置硼掺杂浓度、磷掺杂浓度和本征层沉积温度等参数，使用专业的光伏参数计算数学方程进行计算。不同的参数设置会得到不同的电池性能实验结果。借助三维虚拟仿真软件，可以逼真地展示微观粒子在半导体材料中的运动过程，从而形象地揭示其物理变化规律，实现真实实验不具备条件或难以实现的实验教学功能。图4 所示为虚拟N 层硅薄膜沉积微观机理。

图4 虚拟仿真N 层硅薄膜沉积微观机理

2.3 虚拟仿真项目的评价

硅基薄膜太阳电池的制备与测量虚拟仿真实验采用线上教学与线下答疑相结合的教学方式，以课上实验为主，辅以课下学习及答疑。学生可以利用网络实验平台进行远程、自主、分散式学习，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。对虚拟仿真实验项目采取四位一体、闭环控制的综合评价机制，即由督导专家、教师、学生和企业专家对实验教学效果进行评价，以在线留言、问卷调查、现场访谈等形式对虚拟实验项目的科学性、真实性和教学效果等进行反馈，以便进行持续改进，提高虚拟实验的教学质量。

3 太阳电池制备虚拟仿真实验应用效果

虚拟仿真实验教学中心自主创新开发的“光伏材料—太阳电池制备—光伏发电”太阳电池产业链虚拟仿真和虚实结合的实验系统，对太阳电池制造工艺和设备进行高度仿真，学生可以通过虚拟实验了解太阳电池生产和实验的过程及特点，学习安全知识。基于虚拟现实的太阳电池制备及应用虚拟仿真实验不存在高危险、高耗能和高污染问题，充分利用了虚拟仿真实验和真实操作实验的互补性，并发挥了两者的优点。

迄今，河北大学已有500 余人次通过太阳电池制备及应用虚拟仿真实验教学，实现了在企业的光伏生产线难以进行的教学功能，并且充分体现了“能实不虚、虚实互补”的原则，加强学生在光伏方向的理论和实践技能培养。光伏虚拟实验、真实实验、校外工程实训、课外创新四者相结合的教学模式，满足了实验教学大纲要求[13]。

此外，基于虚拟现实的太阳电池制备及应用虚拟仿真实验面向社会提供教学训练资源；并与光伏产业链相关企业（英利绿色能源控股有限公司、保定光为绿色能源科技有限公司等）共享本实验资源，为光伏企业提供员工培养和考核提供服务。通过产学研相结合方式，不断更新实验教学资源，使实验教学资源处于国内领先水平[14]。目前，“硅基薄膜太阳电池的制备与测量”已被教育部认定为2018 年度国家级虚拟仿真实验教学项目。

4 结语

在太阳电池制备及应用相关实验教学中融入虚拟仿真技术，能够使学生的学习模式由传统的课堂学习转变为个性化的线上线下相结合的新模式；将可远程实现虚拟仿真实验教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，极大地激发了学生的实验兴趣；将校内教学资源与光伏技术人才需求紧密结合起来，是校企合作、协同育人的光伏专业人才培养新途径。