太阳电池数值模拟软件在高职光伏专业课程中应用的思考

何 帆

（乐山职业技术学院，四川 乐山 614000）

引言

太阳能光伏发电技术以其能源转换直接、资源丰富、度电成本低等优势已成为可再生能源技术创新、实现碳中和目标的核心技术之一。光伏产业是基于半导体技术和新能源需求而兴起的朝阳产业，是未来全球先进产业竞争的制高点。随着我国光伏产业的不断发展，降本增效不断推进，对产业技术技能人才的综合素质要求也不断提升。尤其是在太阳电池制备领域，新材料、新结构、新技术快速更新，对高职院校人才培养提出了更高要求。因此，在光伏专业相关课程教学中需要不断探究更加高效、前沿的教学手段，提升光伏专业高职学生太阳电池相关理论知识，增强对太阳电池参数、性能等方面的认识。

数值模拟具有验证器件物理模型的可行性、辅助分析实验结果、预测材料及器件结构变化对性能的影响等作用，是高校科研人员或企业研发人员进行太阳电池设计及理论分析的重要手段。在高职光伏专业相关课程中引入数值模拟教学是一种有益的尝试。本论文通过分析光伏专业相关课程教学现状，探究SCAPS 太阳电池数值模拟软件在课程中应用的必要性和需注意的问题，旨在为光伏专业相关课程探究新的教学工具和手段，促进光伏产业人才培养。

1 高职光伏专业相关课程教学现状分析

太阳电池的原理、参数、性质等是光伏技术的基础，在“光伏发电原理”“太阳电池制备技术”“薄膜太阳电池技术”等课程中都有所涉及。充分理解太阳电池相关基础理论知识，对于后续“光伏组件生产技术”“光伏系统设计”等课程的学习具有重要意义。目前对于太阳电池相关知识的学习大都通过老师讲述授课、PPT 展示等方式。老师在讲解太阳电池材料、结构、环境参数与输出性质的关系时大都只能通过公式推导讲解，甚至直接给出结论让学生记忆。这些学习方式要么较为枯燥，难以激发学生学习兴趣；要么不够系统，难以使学生真正深入、全面地了解太阳电池运行情况。因此，需要采用更加直观、高效、前沿的教学工具或手段，增强学习效果。

2 引入太阳电池数值模拟软件的必要性

2.1 可增强教学直观性

SCAPS 是Gent 大学ELIS（the department of Electronics and Information Systems）的Burgelman 等人开发的一款1D太阳电池模拟软件，具有操作简单、功能较为全面等特点，较为适合高职学生使用。采用SCAPS 数值模拟软件辅助太阳电池相关课程教学的直观性体现在三个方面，一是可直观设置电池结构，学生可自行添加电池各功能层，并且进行各功能层参数设置（如图1 所示）；二是可根据设置直接输出对应参数，使学生理解参数与性能的关系；三是可显示出J-V 曲线、C-V 曲线、QE 曲线等几乎所有常用的电池性质或参数（如图2 所示），便于学生全面理解太阳电池性质。以“载流子复合分析”教学为例，该部分内容是太阳电池学习的重难点，辐射复合、缺陷复合、俄歇复合及界面复合等复合作用是影响太阳电池性能的重要因素。由于该部分内容较为抽象，涉及的理论公式较为复杂，学生学习存在一定困难。然而，通过SCAPS 数值模拟软件，学生可以通过自己操作，直观看到不同复合类型、不同缺陷浓度、不同缺陷位置、不同表面复合速率等对电池输出性能、量子效率等的影响，从而加深对太阳电池复合与性能之间关系的认识。

图1 SCAPS 软件中电池结构及材料设置页面

图2 SCAPS 软件中电池I-V 曲线输出页面

2.2 可强化学生太阳电池理论知识

电流密度方程、连续性方程、泊松方程合称半导体三大基础方程，或半导体输运方程组，通过合理的近似处理并在一定边界条件求解该方程组，可以得到异质结器件的伏安特性。由于SCAPS 的工作原理即为通过定义电池的器件结构及功能层的材料参数，求解泊松方程、电流密度方程及连续性方程，从而得到各结构及材料参数下电池的输出性能及其他物理性质。在学习和操作SCAPS 及其他太阳电池数值模拟软件过程中，必然能够强化学生太阳电池理论知识。此外，通过太阳电池数值模拟软件可以减少学生学习难度，增强学习效果。例如，在“伏安特性及输出特性”教学中，往往是先讲解太阳电池伏安特性公式推导，然后展示太阳电池的等效电路图示意图或电流密度—电压输出曲线示意图。当学生对前期pn 结基础及伏安特性公式没有很好理解时，就会影响对后期输出性能等知识的学习。通过数值模拟软件，可以直接结合能带图、J—V 曲线、QE曲线等输出结果，使学生直观看到太阳电池结构建立、参数设置、运行条件及结果输出的全过程，有助于更好地掌握太阳电池原理和特性。

2.3 可紧跟电池技术前沿

目前大多数太阳电池相关教学资料仍都是以经典晶硅同质结太阳电池为例，然而近年来随着异质结太阳电池迅速发展，学生需要加深理解界面缺陷、能带匹配等电池设计概念。SCAPS 能够模拟多种不同结构太阳电池性能，具有以下功能特点：（1）几乎所有材料的参数都可进行渐变设置；（2）包括三种类型复合机制；（3）可进行体材料及界面缺陷态设置；（4）可进行多种缺陷能级及电荷态设置；（5）可进行多种缺陷能级分布设置；（6）可自定义接触电极的功函数及定义入射光通量；（7）允许隧穿设置；（8）建立了光子吸收、载流子生成计算模型，且支持外部文件导入；（9）可进行多种模拟光谱设置；（10）可对不同工作条件进行模拟；（11）可输出几乎所有常用的电池性质或参数JV 曲线、C-V 曲线、QE 曲线、能带图、载流子浓度分布、电流密度分布、载流子产生及复合曲线、电场分布等。有助于学生充分掌握太阳电池工作特性，特别适合部分学习能力较强的学生开展探究性学习，了解电池前沿技术。

3 引入太阳电池数值模拟软件需注意的问题

在高职光伏专业相关课程中引入数值模拟软件教学具有诸多优势，同时也存在一些问题。首先，目前常用的太阳电池数值模拟软件大都为国外机构开发，而高职学生普遍外语能力较差，在软件学习中容易产生畏难情绪。其次，太阳电池数值模拟软件学习对基础方程、伏安特性等理论知识有一定要求，高职学生大都基础较差、在校学习时间短，难以快速补齐理论知识缺乏的短板。此外，采用数值模拟软件，甚至是多种数值模拟软件教学，对高职教师自身学习能力提出了新要求，教师自身先要系统掌握软件使用，在教学中才能深入浅出地讲解。

4 总结

高等职业技术学校是产业技术人才培养的前沿阵地，全国相关高职院校已为我国光伏产业输送了大量技术技能人才。在光伏产业今后的发展中，特别是太阳电池制造领域，进一步提升产业技术人员的素质是亟待解决的问题。熟悉太阳电池基础理论，系统掌握太阳电池参数性质，参与太阳电池技术更新、研发是今后对太阳电池制备领域技术人才提出的新要求。综上所述，在高职光伏专业人才培养过程中，不断克服可能遇到的问题，引入太阳电池数值模拟软件，有助于增强教学直观性，夯实学生基础理论，激发学生钻研行业前沿，是一种有益尝试。