碳中和背景下太阳能电池方向本科课程体系建设的探索

陈海宁，刘慧丛，李卫平

（北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191）

0 引言

随着人类社会不断发展，传统化石能源日益减少，且传统能源的消耗带来了严重的环境污染，威胁着人类的可持续发展。为了应对这一重大问题，习近平主席在第七十五届联合国大会上提出，我国要在2060年前实现“碳中和”的具体目标，即要实现“排放的碳即是吸收的碳”，需要通过减少排放量和增加吸收量两方面共同发力。

为了达成这一目标，发展清洁且可再生能源是最为重要的途径，这些能源包括太阳能、风能、水能、地热能等。作为其中一种重要的新能源，太阳能总量巨大，远大于其他新能源，且完全可再生[1]。如果能高效的利用太阳能作为人类能量的来源，将有效解决能源危机，并使我国顺利实现“碳中和”的目标。

利用太阳能的方式有很多种，如太阳能电池、光热发电、光化学转化等，其中太阳能电池是最为重要且应用最为广泛的一种方式。目前，已经有多种太阳能电池被发展出来，如晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池等，其中晶体硅太阳能电池是最成熟且已被广泛应用的电池，而钙钛矿太阳能电池是最近发展起来的新型电池[2]，有望在未来得到快速发展。

作为一个重要的方向，很多高校都开设了与太阳能电池相关的专业课程，来讲授基本理论知识。例如，北京航空航天大学材料科学与工程学院（后面简称北航材料学院）在大三下学期开设了《新能源材料化学》来讲授太阳能电池的基本理论知识。然而在当今大力发展太阳能电池情势下，简单的理论知识传授显然很难培养出优秀的专业型人才，也无法吸引更多的学生进入太阳能电池领域。为了更好的培养更多优秀的专业型人才，本论文基于北航材料学院现有课程体系探索了新课程体系的建设方案。

1 现有太阳能电池课程体系存在的问题

与很多高校所设置的新能源课程类似，北航材料学院《新能源材料化学》课程中太阳能电池只是作为多种新能源材料和器件（太阳能电池、锂离子电池、燃料电池等）中的一种进行讲授。主要介绍太阳能电池的基本工作原理和各类器件结构。因此，课程只是涉及理论知识，没有匹配太阳能电池相关的实验课，学生对于电池的认知还是局限于书面。仅是理论知识的讲授很难使学生充分了解太阳能电池的专业方向，无法提升学生的兴趣，且容易忘掉所学的理论知识[3]。当学生无法在课堂中对太阳能电池产生兴趣，在选择本科毕业设计课题和方向时将会很盲目，不利于学生自己和专业方向的发展。

本文作者根据近些年对北航本科科技竞赛的了解，以太阳能电池作为主题参赛的作品非常少。作为一个非常重要的研究方向，这一现象很不合理。造成这一现状的根本原因是，参加科技竞赛的学生一般为大二大三学生，他们在参加竞赛时，并没有学习过专业方向课，对太阳能电池基本理论知识了解非常有限。所以很难在没有知识积累的情况下想出研究课题来参赛，甚至有些学生会觉得太阳能电池过于高深，而不选择该方向参赛。这就导致低年级本科生参与太阳能电池专业课题和项目较少，很难吸引到学生，不利于早期人才培养。

2 课程体系建设的探索分析

针对北航材料学院现有太阳能电池课程体系的不足，本文探讨设计了新的课程体系。新的课程体系主要变化有两点，其一是在现有理论基础课后，增设一门太阳能电池的《特色实验》课，作为理论课和毕业设计的过渡；另外，针对没有上过太阳能电池理论课，但又想从事相关方向研究或参加科技竞赛的低年级本科生，设置了《科研课堂》，作为一门引导性课程。

2.1 太阳能电池《特色实验》设置

北航材料学院《特色实验》是不同专业为大四学生设置的一门实验课，也是毕业设计前的最后一门实验课，对于学生选择毕业设计方向和题目起到决定性作用，如果学生通过《特色实验》了解并喜欢上相关方向，其选择该方向作为毕设或研究生方向的可能性就非常大。上过太阳能电池理论课的学生只是对相关材料和器件的基本知识有所了解，但并不知道电池是如何制备和测试的，不能很好地判断自己是不是喜欢或能不能从事这一方向。为此，在《新能源材料化学》课和毕设之间设置相关的太阳能电池《特色实验》课来进行过渡是一个很好的解决办法，同时也可以帮助学生巩固理论知识。

《新能源材料化学》一般是大三第二学期开课，而本科毕设为大四第二学期，所以《特色实验》设置在大四第一学期比较合理。通过理论课程的学习，学生对太阳能电池方向有初步认知，但对太阳能电池研究的认识仍然只是处于书面知识阶段，对于器件如何制备、测试和分析仍是未知，不能确定太阳能电池方向是否真正适合自己，不能明确指导毕设选题。如果在理论课之后，设置太阳能电池方面的实验课，不仅可以使学生巩固理论知识，更重要的是从实验中深入了解这一研究方向，为学生毕设选题提供借鉴。这一课程设计有望为太阳能电池方向招到真正感兴趣的学生，促进该方向的持续且快速发展。

在《特色实验》内容设置方面，主要考虑三个因素，一是要基于学生前面的理论知识，二是实验条件要具有可行性，最后是要体现前沿性。晶体硅太阳能电池和化合物薄膜太阳电池是商业化比较成熟的两类太阳能电池，现在的研究主要集中于产业化方面，且器件生产设备大型、成本高，不适合作为实验课的研究对象[4]。目前处于研究前沿的是第三代太阳能电池，如染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、量子点敏化太阳能电池（QDSCs）等。其中，前三种电池存在材料昂贵或设备条件要求苛刻等问题，开展常规实验有一定困难，特别是涉及实验人数较多时。相比于上述电池，QDSCs具有前沿性强、材料易得、设备成本低等优点[5]，是作为《特色实验》研究对象的理想选择，而且该器件的工作原理和制备过程涉及无机合成、电化学原理、光电物理等多方面的理论知识，这些内容在大学前三年课程中都有包括，使得学生能更好地理解实验原理。

经过《特色实验》训练和学习后，学生能巩固前期学到的理论知识，同时对太阳能电池的制备、测试和分析过程有全面的了解和掌握。这对于学生在大四第二学期选择毕设方向和题目提供很好的借鉴，有利于发现真正对太阳能电池方向感兴趣的学生，从而促进专业方向的快速发展。

2.2 太阳能电池《科研课堂》设置

太阳能电池《特色实验》课主要是针对高年级本科生设置的，主要是吸引更多对该方向感兴趣的学生选择其作为毕设或研究生方向。对于低年级学生，部分学生通过一些通识课或学术报告的学习，很早对太阳能电池方向感兴趣，也希望以该方向申请大学生科研项目或参加科技竞赛。但他们并未学习过相关理论知识，更没有经过实验培训，直接申请或参加科研项目或竞赛存在困难，无法找到对应的老师和具体的方向。这使得很少有低年级学生以太阳能电池项目申请或参加科研项目或竞赛，减缓了该专业本科生的早期培养。

最近，北航为全体本科生设置了《科研课堂》，鼓励全体老师为低年级本科生（主要为大二大三学生）开设研究性微课题，让学生尽早参与前沿性课题的研究。每个课堂建议人数在5人左右，课堂内容灵活，可由老师和学生通过商讨后设定。由于人数较少，实验条件可直接基于实验室现有条件，实验内容完全可以是老师现有最前沿方向的一小部分内容，这将提高本科生在前沿性方向的参与度，可促进各专业本科生的早期培养。

《科研课堂》为改革太阳能电池专业的早期人才培养提供了思路，但《科研课堂》内容的设置应该考虑到选课对象的知识背景。由于低年级学生并没有系统学习过太阳能电池的理论知识，所以课堂在开展实验研究前应设有基本知识讲授的内容。由于课堂选课人数较少，课堂研究主体可以是实验室现有最主要和最前沿的方向。作为太阳能电池最前沿方向，钙钛矿太阳能电池由于使用的材料成本高、设备较为大型、实验条件苛刻等问题，无法作为《特色实验》内容，但完全可以作为《科研课堂》的研究主体。因此，太阳能电池《科研课堂》可使学生尽早接触最前沿的研究，充分提升学生兴趣，有利于学生科研素质的培养。

通过《科研课堂》的学习，学生可以深入了解太阳能电池方向最前沿课题的研究思路和过程，同时可以获得一些初步的研究成果或产生新的研究思路。对该方向感兴趣的学生可以继续开展深入研究，也可申请校级或国家级的本科科研训练项目，如《大学生创新性实验计划》等。进一步的研究成果还可以用来参加北航、北京市或全国性的科技竞赛，如“冯如杯”“挑战杯”等。此外，研究成果也可用于整理成学术性论文进行发表，使得学生在科技写作方面上也得到锻炼。总之，《科研课堂》内容的合理设置有望使低年级本科生更好地参与前沿性研究，有利于发现对太阳能电池方向真正感兴趣的苗子，培养出优秀的研究型人才。

3 总结

现有太阳能电池专业课程体系很难使学生充分了解太阳能电池的专业方向，无法很好提起本科生学习本专业的兴趣，学生很少选择该方向参加科技竞赛或作为研究专业。在“碳中和”新时代背景下，本论文提出了太阳能电池方向课程体系改革的新思路，即在理论课与毕设研究之间设置专业《特色实验》课作为过渡性课程，并在低年级设置《科研课堂》作为科技竞赛或科研项目的引导性课程。希望通过对太阳能电池方向课程体系的改革来为“碳中和”目标输出更多更优秀的专业人才。