虚拟仿真环境下钙钛矿半导体及其光伏器件实验教学设计

张 帅， 房 香， 张 婧， 朱科钤， 任玉荣

（常州大学a.材料科学与工程学院；b.材料科学与工程国家级实验教学示范中心；c.机械与轨道交通学院，江苏常州 213164）

0 引 言

2020 年我国提出将力争在“2030 年前碳达峰、2060年前碳中和”的能源转型新目标，并明确在碳达峰期间非石化能源占一次能源消费比重将达到25%左右，2021 年又进一步明确了将构建以新能源为主体的新型电力系统［1-2］。光伏发电是目前节能减碳最有效的电力能源之一，因此有望成为我国碳中和道路上构建新型电力系统的主力［3-4］。2021 年，我国光伏新增装机创历史新高，达54.88 GW，权威机构预测全球光伏新增装机年需求将迈向TW 时代。在“双碳”目标的背景下，近年来兴起的一些新型太阳能电池更是引起了人们的极大关注。钙钛矿光伏材料具有光吸收系数高、载流子迁移率大、合成方法简单等优点［5-7］。钙钛矿太阳能电池效率已突破25%［8］，接近晶硅太阳能电池记录，因此，钙钛矿材料被认为是下一代最有前景的光电材料之一［9-10］。目前，牛津光伏、协鑫、纤纳、极电等光伏企业已建成百兆瓦级钙钛矿中试产线，预计2022 年全球将形成1.5 GW 的钙钛矿组件产能规模，有望开启光伏行业新一轮的“降本增效”。钙钛矿太阳能电池量产在即，光伏行业面临着重大变革，相关人才供给面临巨大的缺口。

本文针对晶体结构理论、能带理论和载流子输运理论等在常规课堂讲解下的难点和痛点问题［11-12］，将光伏材料研究发展的前沿热点（钙钛矿光伏材料）与专业实验、“固体物理”和“半导体物理与器件”等课程的相关理论和知识相结合，并基于团队人员对钙钛矿太阳能电池研究的系列原创性成果和数据积累，通过对钙钛矿材料物性的仿真计算及在虚拟场景下对钙钛矿太阳能电池制备和性能表征的模拟，直观、生动呈现钙钛矿组分与晶体结构、能带的关系和器件制备过程，解决了传统教学理论不深、实操难以开展的痛点［13-14］。通过该虚拟仿真条件下的案例教学，使学生接触前沿研究用大型精密设备，更使他们掌握钙钛矿光伏材料的构效关系和相关器件的设计与评价。

1 实验教学设计

1.1 实验教学目的

（1）掌握钙钛矿光伏材料的晶体结构、能带结构、光电性能等物性，理解钙钛矿材料的结构与光电性能的构效关系。

（2）掌握并理解光电转换原理和钙钛矿太阳能电池工作原理。

（3）能够对满足特定要求的钙钛矿太阳能电池进行设计、制备和性能评价。

（4）能对性能评价进行科学分析，并用于指导电池的优化迭代，形成解决复杂工程问题的思维和能力。

1.2 实验原理

本实验教学将仿真计算与虚拟实验有机融合。物性仿真采用了晶体结构与缺陷建模软件Atomsk 和基于密度泛函理论（DFT）的计算软件（Quantum Espresso）对钙钛矿光伏材料的物理性质进行第一性原理仿真计算［15］，并将其晶体和能带结构可视化。虚拟实验真实再现用户作为技术人员，完成从钙钛矿成分调控、光伏器件结构设计、光伏器件制备、性能表征评价到改进迭代的实验过程。晶体建模与仿真计算将为学生完成成分调控、结构设计、评价改进提供理论依据。

1.3 实验教学过程设计

实验教学过程包括课前自主学习、钙钛矿光伏材料物性仿真模拟、钙钛矿太阳能电池的设计和制备、钙钛矿太阳能电池性能评价和实验报告撰写和提交（见图1）。

图1 实验教学过程

本实验教学设计了从自然科学到工程实践再到测试表征、从理论到实践再到分析、从集中到发散再到集中的教学路径（见图2）。利用仿真和可视化手段呈现钙钛矿光伏材料的物性和相关自然科学知识，切实提高学生学习效果，体现“创新性”。在钙钛矿成分、电池衬底、电池工艺、电荷传输层选择上进行“发散”，考察学生设计和制备钙钛矿太阳能电池的能力，体现“挑战度”。在完成电池制备后，学生对表征评价结果进行科学分析，优化实验方案并进行迭代，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和科学思维，体现“高阶性”［16］。

图2 实验教学案例的逻辑路径

2 实验教学内容

2.1 实验知识和原理学习，场景漫游

对钙钛矿太阳电池实验室的基本着装要求、常见安全标识、钢制压缩气瓶的使用和手套箱基本使用方法进行了讲解，并提供了B 站相关视频链接作为学习内容的补充。通过监测学生是否浏览相关内容和进行考核，评价学生对这部分内容的学习效果。软件预先搭建了虚拟实验室和设备仪器模型（手套箱、旋涂仪、热蒸发设备、模拟光源、数字源表等）。正式进入实验室场景后，学生可在场景中自由漫游学习，点击设备仪器和药品试剂，可查看详细介绍说明，使学生获得感性认识。

在正式开始实验前，对半导体及其能级、光电转换、太阳能电池光电性能基本参数和钙钛矿光伏材料与器件进行学习，内容包括文字、图片、自录视频和B站视频等。通过计算机模拟仿真，形象直观地向学生呈现钙钛矿光伏材料的三维晶体结构、能带和X 射线衍射数据（见图3（a）～（c）），使他们掌握钙钛矿成分与物性的关系（见图3（d）），为后续根据任务要求设计钙钛矿光活性层的组分奠定基础。此外，还设计考核环节，帮助学生了解自己的学习情况并弥补缺漏。

图3 钙钛矿光伏材料物性仿真模拟结果

2.2 设计钙钛矿太阳电池结构和光活性层成分，完成前驱体溶液配置

根据随机给定的实验任务目标（正置高效钙钛矿太阳能电池、倒置高效钙钛矿太阳能电池、正置叠层太阳能电池顶电池或倒置叠层太阳能电池顶电池）设计钙钛矿太阳能电池结构，选择合理的衬底（透明导电电极和电荷传输层1）；根据高效太阳能电池和叠层太阳能电池顶电池对钙钛矿材料带隙的不同要求，设计钙钛矿光活性层组分。在配置钙钛矿前驱体溶液的过程中（见图4），重点考察用户对溶剂影响钙钛矿成核与结晶的理解，兼顾天平称量操作的考核。实验记录会自动记录衬底、钙钛矿组分、使用的溶剂和用量等关键信息。

图4 钙钛矿前驱体溶液配置的虚拟场景

2.3 钙钛矿光吸收层制备

本实验步骤主要包含两大目的：①使用户掌握制备钙钛矿光活性层的关键工艺流程；②使用户理解钙钛矿薄膜的结晶动力学及反溶剂对结晶过程的调控。除此之外，兼顾对旋涂仪、热台等设备操作的考核。用户应首先对热台进行预热后，再进行钙钛矿前驱体溶液的旋涂（见图5），最后对样品进行退火。在旋涂钙钛矿前驱体溶液过程中，用户需要自主的在适当的时机滴加反溶剂，从而调控钙钛矿薄膜的结晶，获得高质量的薄膜。如用户在旋涂钙钛矿前驱体溶液过程中，未滴加反溶剂，实验流程仍能进行，但会对最终的器件性能产生影响。用户对旋涂仪、热台等设备的操作自动生成得分，并体现在实验得分中。

图5 钙钛矿层旋涂的虚拟场景

2.4 电荷传输层2 制备和蒸镀金电极

本实验步骤主要考察用户对钙钛矿光伏器件结构的理解和是否掌握常见半导体材料的半导体特性。在无系统提示的情况下，用户应从3 种电荷传输材料中选择合适的材料制备电荷传输层2。忽略该步骤或选择错误的材料均不影响工艺流程的进行，但会对最终的器件性能产生影响。

在完成电荷传输层2 的制备后，用户应先刮除一定区域的薄膜，使透明导电电极暴露，然后利用掩膜版完成金的热蒸镀，形成具有特定形状和大小的金电极区域，最终完成钙钛矿太阳能电池的制备。此步骤也涉及钙钛矿光伏器件结构的考核。

2.5 测试评价、问题解析、实验纠错、电池迭代

用户利用特定的夹具、数字源表和模拟光源对电池的光电转换性能（短路电流、开路电压、填充因子、能量转换效率）进行表征和评价（见图6（a）），重点考察用户对制备器件的性能是否满足任务目标的判断，并兼顾考核光照掩膜版、夹具和模拟光源的使用。

图6 钙钛矿太阳能电池测试评价（a）和问题解析（b）的虚拟场景

如用户判断制备的钙钛矿太阳能电池性能未达到任务目标要求，可选择继续实验，并根据其他的测试表征结果（钙钛矿薄膜外观、微观形貌、XRD图谱、紫外-可见吸收光谱等）（见图6（b）），解析原因，返回到相关步骤完成实验纠错和电池迭代。这部分内容强调用户应充分理解钙钛矿材料的物性和器件性能与工艺流程的关系，应具备较高的分析问题和解决问题的能力，体现了本实验教学的高阶性和挑战度。用户有且仅有一次机会完成实验纠错和电池迭代。

2.6 完成实验报告

实验报告分为实验报告基本信息、学生实验报告、实验报告评价。实验报告基本信息包含本次实验学生的相关信息；学生实验报告是系统根据学生的操作过程提取的关键过程与参数、实验结果、考核答题结果等数据，其中还要求学生规范填写实验总结、实验数据处理等内容；实验评价是软件对学生实验过程中的操作、答题、参数设定等过程客观评分，生成详细的得分、总成绩和评语。

3 结 语

本实验教学聚焦钙钛矿光伏材料及器件，基于教学团队对钙钛矿太阳能电池研究的系列原创性成果和数据积累，通过对钙钛矿材料物性的仿真计算及在虚拟场景下对钙钛矿太阳能电池制备和性能表征的模拟，直观、生动呈现钙钛矿组分与晶体结构、能带的关系和器件制备过程，解决了传统教学理论不深、实操难以开展的痛点。更可使学生接触前沿研究用大型精密设备，掌握钙钛矿光伏材料的构效关系和相关器件的设计与评价。

本实验教学包括钙钛矿光伏材料物性仿真计算和虚拟场景下钙钛矿太阳能电池的制备与评价过程，采用从自然科学到工程实践再到测试表征、从理论到实践再到分析、从集中到发散再到集中的教学路径，提升用户自主设计和分析问题的能力，是“高阶性”和“先进性”显著的、具有较高“挑战度”的教学案例。

本实验教学以“科教产”融合为特色，利用科研最新成果不断完善丰富相关模块和数据库，服务常州大学材料类人才培养，辐射各大光伏企业和科研院所。目前，本实验课程除了应用于高校人才培养外，还向常州亚玛顿股份有限公司和常州妤奇新能源技术有限公司开放共享，用于钙钛矿技术人员的培训，促进了光伏企业的“降本增效”。2022 年，本实验教学案例被评为江苏省研究生优质教学资源。