wxAMPS仿真軟件在應用型本科“薄膜太陽能電池”課程中的應用

楊希峰　況亞偉　張德寶　劉玉申　錢斌

摘要：“薄膜太陽能電池”是我校新能源科學與工程專業重要的專業課程之一，具有知識結構復合度高、知識點更新迅速、實踐性與應用性強等特點。傳統的教學模式偏重公式推導，學生普遍感覺比較抽象，理解難度較大。為了體現應用型本科高校的特點，培養具有持續學習能力的專業型人才，教研組引入基于wxAMPS仿真軟件的教學方法，介紹了該軟件的特點和優勢，并通過設置一個綜合工程案例展示了該教學方法在本課程中的應用，增強了學生對電池優化設計的理解和應用能力，達到提高教學質量，適應應用型人才培養的需要。

關鍵詞：薄膜太陽能電池；wxAMPS；應用型本科

中圖分類號：G426 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0146-03

一、引言

近年來，光伏新能源產業成為江蘇省新興產業中優先發展的重要高新技術產業領域之一，主要包括硅材料、太陽能玻璃、電池背膜、光伏逆變器等領域，全省擁有光伏企業600多家，從業人員12萬人，形成了完整的產業鏈條。無錫尚德、常州天合、中電電氣、江蘇林洋、CSI阿特斯、江蘇中能、江陰浚鑫和華盛天龍8家企業在境外上市，銷售排名全球前20強中江蘇有5家。2010年全省光伏產業實現產值1988億元，同比增長81%，晶硅電池產量占全國的55%以上。隨著其產業鏈的完善和價值鏈的提升，逐步成為國家光電產業發展規劃的重要支點之一。光伏新能源產業技術含量高，產品附加值大，產業升級快，需要大量有能力從事產品設計開發、市場開拓、產品測試以及設備維護等方面的光電工程技術應用人才，對具有懂得光學、材料、電子電路、半導體物理等多方面專業知識的復合型人才需求較大。

目前以商品化的晶體硅太陽能電池的光電轉化效率最高，但受材料純度和制備工藝限制，成本高，很難再提高轉化效率或降低成本。硅基薄膜太陽能電池只需幾的厚度就能實現光電轉換，是降低成本和提高光子循環的理想材料，我校面向該專業本科生三年級開設“薄膜太陽能電池”作為專業必修課，設理論課32學時，實驗課16學時，旨在通過該課程的學習使本專業的學生能夠加深對光照下半導體中的基本物理現象、概念、基本原理的理解；掌握有關薄膜太陽能電池測試儀器及裝置的結構、原理、使用；掌握對光伏領組件評價和系統測量的基本技能，從而提高學生的專業素養，為后續的學習奠定基礎[1，2]。

如何培養高級工程光學類技術人才，如何將課程中比較抽象、復雜的光學問題，比如硅基半導體的能帶、PN結的形成過程、摻雜濃度對PN結位置的影響、光生載流子的壽命、器件IV輸出特性與負載之間的關系等物理問題，在抽象的數學表達式之外幫助學生深刻理解其中的物理內涵和工程應用，成為教研組對課程進行改革的方向[3，4]。

目前，該課程的實驗安排時間較少，受實驗設備和場地的限制，有些實驗很難開展，通過參考兄弟高校在這方面的經驗、方法及成果的基礎上，通過一些分立知識點的編程設計，使學生逐步加深學生對于薄膜電池的結構和光學參數、物理參數的直觀認識；通過綜合案例的實踐，可以啟發學生思考PN結深度、摻雜種類、環境溫度等工程因素對器件效率的影響機制，提高學生的工程實踐能力和創新能力[5]。

二、wxAMPS仿真平臺

軟件模擬硅異質結太陽電池已經被廣泛應用，模擬軟件作為理論研究的工具，可以使理論先行，使數學物理模型建立并應用于具體材料研究，再以更細致的實驗去檢驗理論的正確性，并不斷完善理論。

目前比較流行的應用于光伏研究的太陽電池模擬軟件有PC1D、ASA、AMPS、AFORS-HRT、SCAPS等。由于研究太陽電池所用材料不同或者針對研究的電池性能不同，各模擬軟件針對不同的研究方向會建立不同的物理模型，以及不斷地改進算法以優化計算，所以會造成適合模擬的太陽電池類型不同，軟件性能也會有差異[6，7]。

wxAMPS的前身是著名的太陽電池模擬軟件AMPS-1D，該軟件是由美國賓夕法尼亞大學FonashS教授等開發，優化了太陽電池在能帶存在大量缺陷時的模擬，適用于銅銦鎵錫、非晶硅等太陽電池的模型。但是，因為接近30年時間沒有重要的軟性更新，所以它逐漸跟不上現代計算機技術的人性化特點，以及在計算速度等方面大大落后于新型軟件[5]。

（1）載流子擴散—漂移模型是AMPS選用的基本物理模型，但該軟件未考慮隧穿效應。

（2）AMPS軟件使用Newton-Laplace法，計算量大，耗費計算資源，而且對計算初值比較敏感，有時甚至無法收斂。

（3）AMPS用戶界面設30層材料輸入為上限，無法支持精度更高的太陽電池模擬研究。

模擬操作步驟分為三步：

第一步，設定電池的環境參數，有溫度、電池復合率等。光譜、偏置電壓和量子效率參數在軟件中有已設置好的參數文件，可以直接選中打開，也可自己編輯想要的參數，保存后選中打開。

第二步，依照自己的電池模型逐層設置材料的參數。在對話窗中分別有電學參數Electrical、缺陷參數Defect、光學參數Optical、高級參數Advanced設置，可以依據材料資料輸入相關的半導體物理參數，如介電常數Permittivity、禁帶寬度Eg、電子親和勢Affinity、施主濃度Nd、受主濃度Na等。程序可以輸入任意層數的材料，并支持單層材料參數保存，也可以從軟件中直接載入以往保持的材料模型。

第三步，點擊運行（Run），得到模擬結果。在模擬計算過程中可以中斷，程序會保存中途計算的結果并支持查看。而運算結果以直觀的數據表、圖像形式給出，即J-V曲線（IV）、能帶圖（Energy Band）、量子效率（QE）、電流（Current）、電場（Elec Field）、載流子壽命（Life time）等，還有增加了3個動態條以比較電池在不同電壓、串并聯電阻情況下特性的變化。

三、基于wxAMPS的教學實踐

（一）分立知識點教學舉例——單結薄膜太陽能電池的IV特性

單PN結薄膜太陽能電池是結構最簡單的一種薄膜電池，器件以P型硅為襯底，之上設置n型層和減反層、表面電極，背面設置背電極，其工作原理為PN結構成內建電場對光生多子和光生少子進行分離，并利用電極引出。

傳統的課堂講述往往給定單結結構，講解每層結構在器件工作狀態下的作用，并將IV曲線和短路電流、開路電壓等參數靜態展示，這種方法很難解釋p型和n型摻雜濃度對器件輸出特性的影響，也很難讓學生理解硅基襯底厚度對器件效率的影響。此外，由于學生對半導體物理知識也不夠熟悉，沒有建立起能帶的概念，往往覺得課堂理論記住了，但對于效率與摻雜工藝之間的聯系還沒有建立起概念。將wxMPS引入課程，如圖2所示，教師可以對外部光照、溫度偏壓進行設置，其中AM1.5標準太陽光譜是指晴朗天氣下，太陽光透過大氣層路徑距離為大氣層厚度的1.5倍時的太陽光譜，一般情況下，太陽天頂角為48.19°；另外加上298K即25℃的條件，即滿足了硅基薄膜太陽電池在電性能測試中的規定測試標準。

利用模擬軟件，可以靈活設置半導體的摻雜深度和摻雜濃度，通過計算曲線輸出，學生可以清楚的看到短路電流、開路電壓、填充因子等光伏特性參數，并可以通過能帶圖掌握半導體摻雜工藝對器件特性的作用機理；通過改變襯底厚度，可以對電池的輸出特性進行調控，如圖3所示。

（二）綜合案例教學舉例——溫度對硅基薄膜電池效率的影響

根據理論模型，圖4及圖5分別計算了單晶硅和非晶硅電池在270K～330K溫度范圍內的電池輸出特性參數，對wxAMPS軟件的Ambient參數設置界面的light為AM_1.5G 1 sun.spe，同界面上的bias voltages設置為LIght0_0.4_1.vol，而在setting界面上采用Intra-band Tunneling帶內隧穿方式進行晶硅電池模擬實驗。

以上設置計算后得到溫控條件下硅基薄膜太陽能電池的光電轉換效率的模擬結果，并利用軟件對結果進行線性擬合，結果表明硅基薄膜太陽能電池的溫度變換系數為-0.3766/K。

利用wxAMPS軟件平臺的仿真，可以更加靈活快速的讓學生掌握溫度對半導體能級的作用機理，進而對器件特性產生影響，對教學中的難點和重點問題從理論、時間的高度得到了解決。同時，在仿真的過程中極大地提高了學生的學習積極性，也對學生今后在工作中可能會遇到的實踐問題給予了預研。

四、結語

將wxAMPS引入“薄膜太陽能電池”課程主要利用計算機與薄膜太陽能電池原理相結合，以面向新能源科學與工程應用型教學的需要，通過教研組對于基本知識點和綜合案例的實施，形象直觀地展示了不同電池結構的光伏特性參數和能帶結構，可以幫助學生更加深刻地理解硅基PN結薄膜電池的工作原理和優化設計方法，同時給學生深入研究問題提供了有效的手段，對目前課程教學中偏重理論、求多求全、與企業脫節的情況進行了較大的改善，對課程中難點和重點的學習起到了很好的輔助作用。

參考文獻：

[1]宋力，趙丹平，柴俊霖，劉占峰.應用型專業課程研究型教學模式的探討[J].實驗室科學，2011，（04）：54-55，59.

[2]段培永.應用型創新人才培養的研究性教學模式探析[J].山東建筑大學學報，2012，（04）：440-443，450.

[3]錢國英，馬建榮，林怡.本科應用型人才培養的定位與教學組織設計——浙江萬里學院的實踐[J].中國高教研究，2010，（01）：84-86.

[4]劉一鳴，孫云，Angus Rockett.新型太陽電池模擬軟件——wxAMPS[J].太陽能，2013，（03）：20-24.

[5]馬玉龍，張靜，邵健，況亞偉，劉玉申.研究性教學在太陽能電池測試課程中的實踐[J].科教文匯（上旬刊），2016，（01）：40-41.

[6]鐘建，顧可可，于軍勝，吳援明，黃江.薄膜太陽能光伏器件工藝制備及測試實驗教學平臺[J].實驗技術與管理，2014，（06）：183-185，228.

[7]王育飛，李海霞，薛花，楊興武.基于MATLAB仿真的太陽能發電系統課程設計案例研究[J].中國電力教育，2014，（23）：13-14，18.