《光伏材料和工藝技術》課程教學研究初探

盧海 劉霄 王金磊

摘要：光伏產業的快速發展對高水平專業人才提出了迫切需求。本文針對《光伏材料和工藝技術》這門專業基礎課，從課程特點、教學內容和教學過程實施等方面進行了一定的研究和探討，以更好地組織開展該課程的教學活動，提高教學質量，培養具有較高綜合素質的應用型本科人才。

關鍵詞：光伏材料和工藝技術；太陽電池；教學研究；新能源

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）36-0173-02

隨著全球資源的日益短缺和生態環境的日益惡化，大力發展綠色、低碳、環保的可再生能源技術已引起世界范圍的廣泛研究與重視。在技術的不斷進步和政策的持續驅動下，光伏產業自上世紀末開始進入了快速發展軌道。我國光伏產業起步較晚，但發展勢頭迅猛，2016年的光伏發電新增和累計裝機容量均已達到全球第一，成為最大的太陽能發電基地。最近，《聯合國氣候變化框架公約》近200個締約方在巴黎氣候變化大會上達成了《巴黎協定》，更是有望進一步推動全球光伏產能的擴張。光伏產業的發展使得企業對高水平專業人才的需求越來越迫切。然而當前高校的光伏人才培養規模并不大（多數集中于高職類院校[1]），產業人才需求缺口明顯。對于課程設計也缺乏工藝教學與實踐參與環節[2]，使得畢業生的綜合素質能力不能完全滿足行企需要，形成較為突出的產教矛盾。

西安科技大學材料科學與工程學院自2013年起在無機非金屬材料與工程專業下開設新能源材料與器件專業方向，每年會從年級中選調出一部分學生，作為該新專業的試點對象，重點培養太陽電池與鋰二次電池領域的高素質應用型人才。學院已形成了較為完善的人才培養方案，其中專門設置了《光伏材料和工藝技術》這一特色基礎課程作為專業試點中的一個重要教學環節。本文基于幾年的授課經驗，對該課程的性質特點、教學內容與方法等進行一定的研究和探討。

一、課程特點

該課程是針對無機非金屬材料與工程專業大四學生的必修課程，為考查性質課程。課程對于理論與實踐的結合比較緊密，不僅理論性很強，而且工藝實踐知識也介紹得比較詳細，這是其最為顯著的一個特點。課程開設的目的，是讓學生能夠系統接觸光伏材料及太陽電池制造的相關理論與工藝知識，使學生對光伏發電的基本原理以及光伏材料特性與制備技術等有一個較全面的認識，了解太陽電池當前技術現狀，把握該領域的發展態勢。該課程的先修課程為大學物理、材料科學基礎、無機材料物理性能等。

二、教學內容

根據課程設計，前部分主要側重對基本原理與概念的講解，后面則詳細講述以直拉單晶硅與鑄造多晶硅為代表的光伏材料相關性質與制作工藝[3]。

1.太陽能及其利用概述。講解開發利用太陽能的意義，太陽能的成因，太陽能輻射和吸收的基本規律，太陽能光伏發電的優缺點，太陽能光電材料的研究與應用歷史。

2.太陽能光電轉換物理基礎。講解半導體與太陽能光電材料的性質，半導體材料的能帶結構，雜質能級和缺陷能級的形成，熱平衡和非平衡條件下載流子的行為，P-N結的成因、能帶結構與伏安特性，金屬-半導體接觸與MIS結構，光伏效應基本原理，等效電路圖，光電轉換效率的計算及其影響因素。

3.太陽能電池結構與制備。講解太陽能電池的分類方法及其研究開發進程，晶體硅太陽能電池的結構與制作工藝（包括絨面、p-n結、鋁背場、金屬電極、減反射層等的設計思路、結構要求與制造方法）；介紹幾種薄膜太陽電池的典型結構與制作方法。

4.單晶硅材料及其雜質與缺陷。講解硅材料的基本性質與分類，高純多晶硅的制備原理與方法，區熔單晶硅與直拉單晶硅的生產原理與制備工藝，單晶硅摻雜技術，硅晶片基本加工過程；直拉單晶硅中氧、碳、金屬雜質的成因、特點、影響因素與控制方法；位錯的結構、性質及對太陽電池的影響。

5.鑄造多晶硅及其雜質與缺陷。講解鑄造多晶硅的定義、特點與發展現狀，制備工藝與晶體生長規律，氧、碳、氮、氫、金屬等雜質的成因、特點、作用、熱處理性質及控制措施，晶界與位錯的形成、吸雜作用及對硅器件的影響。

6.薄膜太陽電池。講解各類薄膜太陽電池的性能優缺點、材料制備方法、技術發展方向，包括非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、GaAs、CdTe和CdS、CuInSe2和CuInxGa1-xSe2等。

上述整個教學內容的重點放在了第2部分和第4部分，課程章節順序可以根據需要適當進行調整。

三、教學實施

該課程采用多媒體與板書相結合的教學手段，以課堂講授為主，輔以隨堂測驗、主題演講和參觀學習環節，注重啟發式教學方法。

1.課堂講授。根據大綱要求和教材內容，課前獨立制作PPT課件，力圖做到圖文并茂，必要時加入一些視頻元素。相關內容不局限于書本知識，有一定的拓展性。例如在講“開發利用太陽能的意義”時，會從能源短缺、環境污染、電網局限三個方面，介紹當前國內國外形勢與現狀，讓學生深刻體會該課程學習的重要性，這不僅充實了教學內容，而且有助于調動學生學習的主動性。對于較難理解的基礎理論知識，講解過程盡量深入淺出，放慢節奏，幫助學生牢固掌握。而對于材料制備工藝，輔以實際具體的案例和相關圖片，讓學生獲得更加形象的認識。教學過程注重與學生的交流與互動，激發學習興趣，穿插一些啟發式教學[4]，引導學生積極思考，從而達到良好的教學效果。

2.隨堂測驗。“太陽能光電轉換物理基礎”這一章節涉及較多的數學公式（如費米能級、載流子濃度等）。為了讓學生增強對此部分內容的理解，提高公式靈活運用的能力，首先從課程計劃中專門安排時間講解典型的計算習題，然后進行一次隨堂測驗，布置幾道有代表性的題目，讓學生獨立自主解答。教師課后閱卷，檢查學生學習效果，對學生普遍遇到的答題困擾，再在課堂上做一次講解，幫助學生加深理解、強化掌握。

3.主題演講。將班上學生分成若干小組，每個小組隨機分配一個專題任務（如太陽電池用多晶硅材料技術與應用現狀），讓學生課后分工查閱文獻資料，共同完成PPT演講稿的制作。然后各組學生中抽派代表上臺為班上其他同學做主題演講，報告之后大家一起交流討論。這一教學形式不僅鞏固了學生的專業知識，而且對于學生綜合能力的提升有很好的幫助。

4.參觀學習。為了加強實踐教學，同時進一步開拓學生視野，專門組織學生參觀學院新能源實驗室建設的太陽能實驗教學平臺，讓學生對于太陽能發電裝置的工作原理、構造與方法，太陽電池組件的性能測試、數據記錄與分析等有一個更加直觀的認識了解，課堂上學到的理論知識與實踐應用形成一定的結合。

5.課程考核。課程采用總評成績=平時（20%）+實踐（20%）+筆試（60%）的形式對學生進行考核。其中平時成績包括出勤情況與課堂表現（包括回答問題、互動討論等），實踐成績一是基于隨堂測驗結果，二是看學生在主題演講、參觀學習等環節中的表現。筆試成績則采取考試答題形式，通過填空、判斷、選擇、簡答、論述等題型，考察學生對課程各知識點的掌握情況。

四、結語

《光伏材料和工藝技術》作為新能源專業試點中的一門重要課程，為學生認識新能源、了解新能源材料打開了一扇窗，奠定了一定的知識儲備，同時對于學生未來可能投身于光伏行業，具有一定的引領作用與實踐指導意義。該課程應以科學的教學大綱為依據，在教學內容上與時俱進[5]，在教學手段和方法上繼續積極探索，這樣才能更好地為新能源專業發展和應用型人才培養服務。

參考文獻：

[1]溫永春，王旭，顧大國，等.太陽能電池原理與工藝課程在材料專業中的教學研究[J].教育現代化，2016，5（22）：125-126.

[2]歐惠.《太陽電池材料》應用型課程教學改革研究[J].新余學院學報，2016，21（3）：145-148.

[3]楊德仁.太陽電池材料[M].北京：化學工業出版社，2011.

[4]常夢潔，劉俊.參與式教學在《材料導論》課程中的應用探索[J].廣州化工，2017，45（17）：157-158.

[5]任艷蓉，劉保英，王延鵬，等.《材料科學基礎》課程教學的實踐與探索[J].廣州化工，2016，44（19）：170-171.