《薄膜太陽電池工藝與應用》課程教學研究初探

何　波

(1 東華大學理學院應用物理系，上海 201620；2 廣西大學廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室(機械工程學院)，廣西南寧 530004；3 華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室，上海 200237)

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《薄膜太陽電池工藝與應用》課程教學研究初探

何波1，2，3

(1 東華大學理學院應用物理系，上海 201620；2 廣西大學廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室(機械工程學院)，廣西南寧 530004；3 華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室，上海 200237)

摘要：薄膜太陽電池因成本低廉、光電轉換效率高已成為國際光伏市場發展的新趨勢和新熱點，因此，“薄膜太陽電池工藝與應用”是光電子科學與技術、應用物理學等相關本科專業的一門重要的技術基礎選修課程。該文初步探討了課程特點、學生情況、教學手段及考核方式的教學改革，以期提高本科生的專業基礎和科研能力，獲得較好的教學效果。

關鍵詞：薄膜太陽電池工藝，教學改革，教學手段

目前市場上使用的太陽電池主要是體材料的單晶硅/多晶硅pn結電池，因為晶硅體材料的厚度約為250μm，導致其成本比較高。薄膜太陽電池是將一層或幾層薄膜制備成pn結或肖特基結的太陽能電池[1-2]。因其使用太陽光吸收層材料極少(厚度僅為數微米)，更容易降低成本和大面積連續生產。它另外一個特點是可被制成柔性可卷曲形狀，這使得它既是一種高效率、低成本能源產品，又是一種新型綠色建筑材料，更容易與建筑完美結合。所以薄膜太陽電池已成為國際光伏市場發展的新趨勢和新熱點，在建筑光伏一體化、荒漠電站、空間電源等領域具有廣闊的應用前景[3-5]。因此，東華大學理學院應用物理系開設了《薄膜太陽電池工藝與應用》課程，該課程是光電子科學與技術、應用物理學等相關本科專業一門非常重要的技術基礎選修課程。

1課程特點

該課程作為光電子科學與技術專業方向選修課，旨在讓學生了解薄膜太陽電池的基本結構、工作原理、制備工藝和應用以及發展的趨勢和動態，為今后從業奠定扎實的理論和實踐基礎。

本課程主要內容包括：太陽能電池的基本工作原理及表征參數，硅基薄膜電池，Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池，碲化鎘(CdTe)薄膜電池，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池，染料敏化納米晶太陽電池。

(1)太陽電池光伏物理基礎

講解半導體中電子態與能帶結構，半導體中的雜質與缺陷，平衡態載流子分布，半導體光吸收，非平衡載流子產生與復合，載流子輸運性質。理解pn結伏安特性，pn結電容，光生伏特效應，太陽電池電流-電壓特性分析，太陽電池性能表征，量子效率譜，太陽電池效率分析，太陽電池效率損失分析。讓學生掌握了解器件模擬的意義，硅基薄膜電池的電學模型，硅基薄膜電池的光學模擬。

介紹MIS太陽電池、PERL太陽電池、刻槽埋柵太陽電池、HIT太陽電池器件結構及性能。

(2)硅基薄膜電池

硅基薄膜電池包括非晶硅薄膜電池、微晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池。目前市場上主要是p-i-n結構氫化非晶硅薄膜太陽電池。氫化非晶硅一般通過PECVD使硅烷分解沉積而制成。非晶硅的禁帶寬度為1.7eV，通過摻硼(BH3)或摻磷(PH5)可得到p型或n型氫化非晶硅薄膜。

這時，一個朋友告訴他讓他們尋找“代孕媽媽”，這重新燃起了陳清和方達生夫婦的希望。他們去醫院咨詢，醫生告訴他們，雇傭“代孕母親”就是將雇主的受精卵移植到“代孕媽媽”的子宮內孕育，生出來的孩子仍然屬于雇主。

講解硅基薄膜物理及材料特性，硅基薄膜太陽電池結構及工作原理，多腔室PECVD沉積系統結構及沉積動力學。

(3)高效Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池

砷化鎵(1.42eV)薄膜電池是在單晶鍺襯底上以金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)制成的薄膜太陽電池，其多結疊層Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池，具有30%以上高光電轉換效率，特別適用于空間衛星的能源系統上。

講解Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池的制備方法：液相外延法(LPE)、金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延法(MBE)。使學生掌握GaAs單結電池，GaAs系列多結疊層太陽電池，Ⅲ—Ⅴ族聚光太陽電池的器件結構和工作原理。

(4)碲化鎘(CdTe)薄膜電池

碲化鎘(CdTe)是Ⅱ—Ⅵ族化合物半導體，它具有直接帶隙(1.45eV)。CdTe具有很高的光吸收系數，僅2微米厚的CdTe就足夠吸收AM1.5條件下99%的太陽光。使得CdTe成為可以獲得高效率的理想太陽電池材料之一。

講解n-CdS/p-CdTe異質結太陽電池能帶圖，介紹CdTe薄膜先進制備技術：近距離升華法、磁控濺射法、絲網印刷法等。

(5)銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池

銅銦鎵硒(CIGS)薄膜材料吸光范圍非常寬，而且在戶外環境下的穩定性也相當好，其具有高光電轉換效率及低材料制造成本，因此被視為未來最有發展潛力的薄膜太陽電池種類之一。

講授CIGS薄膜太陽電池發展史，CIGS薄膜太陽電池吸收層材料，C1GS薄膜太陽電池的典型結構，CIGS薄膜太陽電池的器件性能，CIGS薄膜太陽電池的異質結特性，柔性襯底CIGS薄膜太陽電池，CIGS薄膜太陽電池的發展動向。

(6)染料敏化納米晶太陽電池

染料敏化納米晶太陽電池(DSSCS)主要包括：鍍有透明導電薄膜和納米晶層的玻璃基底、有機染料、還原電解質以及對電極幾部分。

講解染料敏化納米晶太陽電池的結構和組成、工作原理、光伏特性及其穩定性，介紹染料敏化納米晶太陽電池未來的發展。

2學生情況

每年選修該課程的本科生約有40多名，其中80%是東華大學理學院應用物理系光電子科學與技術和應用物理學專業的本科三年級學生。

3課程教學實施

3.1課堂教學

教師課前認真備課，獨立制作開發《薄膜太陽電池工藝與應用》多媒體課件(如圖1所示)，撰寫講義。在課堂教學中采用PPT電子課件+黑板板書的方式授課，力圖做到基本物理概念、圖像清晰，基本內容深入淺出、易于理解。既有基本公式的推導和必要理論知識的分析，也有典型應用實例，國內外近期發展現狀。在教學過程中，注重學生是學習主體的地位，師生互動，課堂交流、討論，充分激發學生的積極性和進取心。經學生反饋，使用制作開發的《薄膜太陽電池工藝與應用》多媒體課件，可以取得良好的教學效果。

圖1　制作開發的《薄膜太陽電池工藝與應用》多媒體課件頁面展示

3.2課堂分組討論

將學生每5人分為一組，并給每個小組分配演講專題任務。通過課前一起查閱相關文獻資料，制作PPT專題課件。然后在任課老師的組織下，各小組學生分別上講臺(給其他所有學生)演講PPT專題課件，并進行交流討論。這既讓學生鞏固了專業基礎知識，又培養了自主學習，查閱文獻和制作PPT課件的綜合能力。

3.3課程實驗

圖2　東華大學纖維材料改性國家重點實驗室的多功能

組織學生到東華大學纖維材料改性國家重點實驗室參觀多功能超高真空磁控濺射鍍膜系統(如圖2所示)，到上海某公司太陽能電池生產基地參觀實習，進一步加強了學生動手實踐能力，并對薄膜制備設備有了進一步深入的認識。

3.4考核方式

本課程學生成績由平時成績、口試成績和小論文成績構成。其中作業占20%，口試占20%，小論文占60%。平時成績包括課堂出勤簽到情況和平時作業(閱讀相關文獻并翻譯)，口試成績是用PPT匯報所閱讀文獻的情況，小論文成績是結合學習內容就感興趣的章節撰寫綜述性小論文，其中要求學生必須要有自己的想法(即用課堂中學習的知識解釋綜述里的內容，學生自己的想法必須要用黑體加下劃線標出)。

4結語

通過“薄膜太陽電池工藝與應用”課程的學習，使學生掌握薄膜太陽能電池的基本工藝和應用，并了解薄膜太陽能電池發展趨勢，能初步閱讀一些外文文獻。該文初步探討了該課程的特點、學生情況、教學手段及考核方式的教學研究改革，以期提高本科生的專業基礎和科研能力，獲得良好的教學效果。

致謝

感謝超細材料制備與應用教育部重點實驗室(華東理工大學)開放課題基金(編號：15Q10932)的項目資助。

參考文獻

[1] 葉志鎮，張銀珠，黃靖云.以科研促進《薄膜材料技術與物理》專業課程的教學改革[J].材料科學與工程學報，2010，28(3)：474-476.

[2] 黃凱，余江應，盛守奇.半導體薄膜研究性實驗教學的探索與實踐[J].物理實驗，2012，32(4)：9-12.

[3] 何波，馬忠權，徐靜.新型SINP硅藍紫光電池的研究[J].中國科學E輯：技術科學，2010，40(4)：407-416.

[4] 何波，馬忠權，趙磊.新型SINP硅光電池C-V/I-V特性及光譜響應的研究[J].光電子技術，2009，29(4)：218-225.

[5] Bo He，HongZhi Wang. Fabrication and characterization of amorphous ITO/p-Si heterojunction solar cell[J]. SCIENCE CHINA Technological Sciences，2013，56(8)：1870-1876.

Research and Exploration of Teaching for the Course of Technology and Application of Thin Film Solar Cells

HE Bo1，2，3

(1 Department of Applied Physics，Donghua University，Shanghai 201620，China；2 Guangxi Key Laboratory of manufacturing system and advanced manufacturing technology，School of mechanical engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China；3 The Key Laboratory for Ultrafine Materials of The Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

Abstract：Thin film solar cells are of low cost and high efficiency. They have become the new trend and hotspot of the development in the international PV market. Therefore，the technology and application of thin film solar cells is gradually becoming an important course for college students of optoelectronic science and applied physics. In order to improve undergraduate professional foundation and enhance teaching quality in class，the teaching reform of teaching contents，characteristics and teaching methods were analyzed in this paper.

Key words：thin film solar cells technology，teaching reform，teaching methods

中圖分類號：G 642.0