沈 玲,張 倫，李明雪

(中國礦業大學 物理學院，江蘇 徐州 221116)

2010年，國家和教育部為適應能源產業發展趨勢而設立新能源材料與器件專業，隨后有二十多所高校陸續開設了該專業[1]。作為把太陽能直接轉換成電能的裝置，太陽能電池是該專業一個重要的方向。圍繞太陽能電池的上，中，下游產業鏈發展而成的光伏產業，近年來作為國家重點支持的戰略性新興產業也得到蓬勃發展[2-3]。因此，光伏產業對太陽能人才的需求一直居高不下。近年來，隨著諸多歐洲國家陸續取消光伏補貼，光伏企業面臨更加激烈的市場競爭。為了提高產品的競爭力，這些企業對相關從業人員的專業水平提出了更高的要求。因此，為了提高學生就業時的競爭力和就業后解決實際問題的能力，非常有必要進行太陽能電池課程的教學研究。但是，光伏產業作為一種新興產業，涉及到的知識點比較多，對學生的要求比較高。

本文通過對這門課程的研究，希望實現這樣的目標：既能形象生動，深入淺出地講解太陽能電池相關的物理、材料、化學等專業的基礎知識，為學生建立堅實的理論基礎；又能提供大量的電池實例，讓學生掌握太陽能電池材料制備和參數優化等實際技能，培養解決實際問題的能力，為將來的工作提供重要積累。同時我們還會利用PVlighthouse的在線軟件資源建立基于PC1D模擬軟件和等效電路編輯器的資源庫[4-5]，使學生在理論學習的同時，也能參與到實踐環節，激勵學生在其已掌握的知識框架內對各類電池進行深度分析，進而掌握在每一種電池的結構設計和參數設置背后的理論依據和技術路線。

1 內容編排研究

《太陽能電池原理與技術》課程基本上包括兩部分內容：一是太陽能電池原理；二是各種類型的電池技術。這兩部分既緊密相關又有明顯不同，缺一不可。所以，我們按照 1∶1 安排兩部分教學的學時，并根據各自特點而采用不同的教學方法。選取合適的教材是至關重要的第一步。我們調研的參考書包括《太陽能電池：材料、制備工藝及檢測》《光伏電池原理及應用》《太陽能電池基礎與應用》《太陽能電池物理》《太陽能原理與技術》《太陽能電池工作原理、工藝和系統的應用》和《太陽能光伏電池及其應用》等[6-12]。它們的內容大都包括太陽能電池原理和工藝技術，但由于面向的對象不同，內容的側重點也有差別。換句話說，還沒有一份適合物理學院非光伏專業學生的理想教材。因此，自編講義顯然更加方便。編寫講義的過程中，考慮到該專業的學生缺少半導體物理和器件的背景知識，太陽能電池原理這部分內容主要參考《半導體物理學》[13]及《光伏電池原理及應用》，而太陽能電池技術這部分內容則主要參考《太陽能電池：材料、制備工藝及檢測》中的部分內容和一些最新的太陽電池的科技文獻。在太陽能電池原理的部分，依次介紹半導體能帶理論、摻雜、費米能級、本征和雜質半導體、載流子的產生與復合、載流子的輸運、非平衡載流子、復合理論、半導體PN結和太陽能電池基本原理。在太陽能電池技術的部分，介紹晶體硅太陽能電池、薄膜電池、聚光電池、有機太陽能電池、染料敏化太陽能電池等，涵蓋了《光伏電池原理及應用》第四章至第十一章的大部分內容，并補充了《太陽能電池：材料、制備工藝及檢測》中的部分內容和鈣鈦礦太陽電池的最新科技文獻[14-15]。

2 太陽能電池原理的互聯網融合式教學研究

電池原理這部分涉及到內容編排提及的內容，共計5章。這些內容的理論性強，又涉及大量公式。詳細推導所有公式進行講解，既枯燥又耗時，學生很難接受。另一方面，如果僅用flash動畫或圖示的方法進行簡單的物理描述，又很難讓學生深入理解太陽能電池的器件物理，難以明白表面背后的物理依據從何而來。因此，在教學中，我們借助互聯網工具和技術進行融合式教學，豐富學生的課堂體驗。具體操作上采用物理描述、數學公式和軟件模擬計算三者相結合的方法。首先對知識點進行定性的物理描述，然后給出相關公式并進行定量的解釋，最后用PC1D軟件進行模擬計算，讓學生通過直觀感受建立清晰的物理圖像。下面將以具體實例說明該教學方法及其優點。

眾所周知，半導體PN結是太陽能電池的核心結構，掌握半導體PN結的形成過程及特性對掌握太陽能電池的工作原理以及結構設計具有重要作用。我們在教學中首先用flash動畫演示了PN結的形成過程，接下來介紹耗盡層、內建電場和內建電勢差等概念。然后給出PN結中載流子濃度、內建電場和內建電勢差的數學表達式，并簡要地解釋公式的由來和意義。學生在短時間內對這么多名詞和公式只能做到一知半解。所以，我們采用PC1D軟件模擬計算的方法將硅的基本參數代入到公式中，進而畫出PN結的載流子濃度、電場強度和能帶曲線的一維分布圖。借助這些曲線來講解PN結特性更加直觀明了，容易接受。通過改變摻雜濃度或帶隙寬度等參數，幫助學生深刻理解內建電場及內建電勢差的物理意義。此外，為了節省課堂時間和激活學生課下學習的熱情，將PC1D軟件程序放置在網上學習群中，供學生下載學習，達到鞏固課堂學習效果的目的。

這部分的另一個重點是太陽能電池的等效電路，其被廣泛用于電池的結構設計和失效分析。電池等效電路從電學角度上看并不復雜，包括恒流源、二極管、串聯電阻和并聯電阻這些電學元件。不過，在實際情況下，僅憑定性分析，卻很難解釋一些失效現象。為此，我們除了講解等效電路公式和相應的電路圖，還要介紹PVlighthouse的一個等效電路編輯器。具體來說，在這個等效電路編輯器中，一方面通過設置串聯電阻為零和并聯電阻無窮大而獲得理想的電流-電壓曲線，介紹電池特性參數，包括：短路電流、開路電壓、最大轉換效率、填充因子等。另一方面通過真實的電池等效電路，向學生展示漏電、電極失效等情況的電流電壓曲線，進行失效分析。同時將這個在線編輯器的網址鏈接放置在線上的學習群中，供學生線上練習。

互聯網融合式教學方法在以上兩個實例中，不但讓學生在課堂上對干巴巴的理論學習產生可視化的體驗，還可以在課堂之外，利用軟件充分參與到設計環節，并且獲得學以致用的自信心和成就感。

3 太陽能電池技術的理論聯系實際式教學研究

電池技術部分主要介紹各類型電池的結構設計和工藝技術。這部分的實踐性非常強，有利于培養學生解決實際問題的能力。因此這部分需要進行理論聯系實際的教學。下面將以具體實例說明該教學方法及其優點。

課堂教學將圍繞結構設計和工藝技術這兩個方面詳細介紹幾種高效晶硅電池如鈍化發射極背面局域擴散電池(PERL),鈍化發射極及背局域接觸電池(PERC),激光刻槽埋柵電池(BCSC),本征薄層的異質結電池(HIT)的同時，不斷提出實際問題，讓學生結合之前的理論知識進行回答。比如，PERL電池的背面設計有何好處？與PERC相比，有何不同？BCSC的表面電極與普通其它電池的設計相比有何優勢？HIT電池的開路電壓為何大于晶硅同質結？

另外，在介紹以碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)為代表的薄膜電池、基于三五族化合物的聚光電池、染料敏化太陽能電池和時下最熱門的鈣鈦礦太陽電池時，由于教學時數的限制，這些電池主要介紹它們的特點，工藝技術，研究動態等。但仍可以通過不斷提出問題，加深學生的理解。比如，CdTe，CIGS和三五族化合物材料的共同特點是什么？三五族多結電池的各個子電池在電學上是并聯還是串聯？其短路電流和開路電壓與何有關？

一個又一個問題拋向學生，引發頭腦風暴的同時，使學生能掌握這些電池在結構設計和參數設置背后的理論依據，以及可能存在的實際問題。

然而，通過教學反饋，我們也認識到課堂教學在工藝技術方面存在的問題，即無法使學生對工藝技術產生非常好的感性認識，這與工藝路線的流程過于復雜密切相關。就拿最簡單的絲網印刷商業晶硅電池來說，制備工藝就包括了切片、清洗、制絨、擴散、刻蝕、二次清洗、蒸鍍減反膜、絲網印刷、燒結和測試篩選這十個大步驟。學生大多通過背誦記住這些名詞，但往往無法僅憑記憶去理解這些步驟之間的前后因果關系及每一步的不當處理會對最終電池各個參數有怎樣的影響。經過討論，這部分的學習由理論和實際兩個環節組成，即在課堂學習硅太陽能電池的工藝流程和在生產實習中到光伏公司的生產車間進行參觀實習。通過理論聯系實際的方法，讓學生系統性地了解晶硅電池制備的各個步驟，深刻理解太陽能電池的工藝技術和電池特性參數如開路電壓，短路電流，填充因子及反向飽和電流密度等之間的關聯，深化和完善太陽能電池的理論體系。

理論聯系實際式教學方法在以上實例中，不但顯著提高學生的課堂參與度和積極性，還讓學生在自主的實踐中獲得應用理論知識去分析和解決實際問題的能力。

4 結束語

作者總結《太陽能電池原理與技術》課程的教學心得，對課程教學內容及教學方法進行研究。通過引入模擬軟件PC1D和等效電路編輯器這兩個在線軟件資源，學生進行真正的研究型學習的同時，也培養了理論聯系實際的習慣。生產實習有助于建立學生對工藝技術的感性認識。經過這門課程的學習，學生可以勝任光伏領域的研發和技術工作。