能源化工專業《太陽能光伏電池基礎》教學內容體系構建

利明

摘要：根據目前光伏電池領域的知識類別和能源化工專業學生的理論基礎條件，確定課程知識框架。通過對教學參考書的整理研究，結合現今太陽能光伏產業的發展和技術革新狀況，建構適合能源化工專業學生學習的內容體系，并對具體教學內容進行選編，使學生掌握基本的太陽電池相關知識。

關鍵詞：《太陽能光伏電池基礎》;教學內容;內容選編

中圖分類號：G642???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2019）13-0175-02

在能源危機和環境危機的形勢下，太陽能以其取之不盡、用之不竭、分布廣泛，不受地域和季節限制的特點成為最有前景的可再生能源。從長遠看，隨著技術的進步，以及其他能源利用形式的逐漸飽和，太陽能光伏發電將會占據世界能源消費的重要席位，逐漸成為世界能源供應的主體。光伏產業是半導體技術與新能源需求相結合產生的新興產業，也是當前國際能源競爭的重要領域。我校能源化工專業為適應能源行業的需要，培養全面的能源領域人才，開設了《太陽能光伏電池基礎》這門課程。并且，在我國光伏產業蓬勃發展的大環境下，相關課程的重要性也在提升，這門課已經從原來的選修課程轉為必修課程，對拓寬學生的專業視野，擴展學生的就業范圍產生了積極的作用。

筆者在這幾年的教學中發現，太陽能光伏電池相關的書籍雖然很多，但適合作為化工類學生學習太陽電池相關知識的理想教材很少。現有出版的太陽電池相關的書籍主要分為幾大類：（1）側重于物理理論內容;（2）側重于光伏材料介紹;（3）側重于太陽電池生產技術介紹;（4）側重于應用設計;（5）側重于太陽電池發電系統設計。有些書籍內容全面，會涵蓋以上幾點或者全部的內容[1-6]。對于課程內容的選擇，我們的原則是要有比較完整的理論知識體系，同時也要介紹電池的材料、結構和生產技術。并且，考慮到能源化工專業的學生物理基礎比較薄弱，課程的課時較短，因此理論部分既要求比較完整，也要注意對深度的把握，不使學生過于吃力。實際生產方面的內容既要介紹現有比較成熟的工藝技術，也要考慮前沿技術的介紹。綜合上述，我們選擇相關物理理論、光伏材料、電池結構和生產技術這三方面作為課程的主體內容，在應用設計和發電系統設計方面不做介紹，以此將整門課程分為五大部分。

一、太陽能應用的意義及太陽光基礎知識

課程首先介紹太陽能應用的背景知識，提高學生的學習興趣。而且，太陽電池是將光能轉換為電能的器件，要讓學生了解太陽電池的工作情況，首先也應對太陽光有一定了解。這部分主要介紹關于陽光的基礎知識，包括太陽光譜的組成，各部分光區在太陽光譜中所占能量的比重，光強的表示方法，到達地球的陽光光強受到什么因素影響。同時，本門課程是立足于我國國內光伏產業的發展，因此也介紹我國各地區太陽能資源分布狀況。

對于太陽光的基礎知識，楊德仁所編《太陽電池材料》的第一章，太陽能和光電轉換，這部分的內容對各個知識點都有介紹，且深度適宜，因此主要參考本書進行教學。但此書沒有我國太陽能資源分布的內容，因而這個部分主要參考熊紹珍、朱美芳所編的《太陽能電池基礎與應用》一書。對于我國光伏產業發展的部分，由于各參考書出版的時間較早，與現今的發展狀況不符，因此主要通過網絡搜集最新的訊息。

二、光伏原理基礎

太陽電池的核心部分主要是半導體，要理解太陽電池的工作原理、性能和半導體材料的關系，需要對半導體的定義、物理特性有基本了解。這部分是整門課程理論部分的重點，多數關于太陽能電池的書籍都有這方面的內容。我們教學中主要參考《太陽能電池基礎與應用》和《太陽電池材料》兩書，主要講述半導體的能帶結構、與導體和絕緣體的區別;本征半導體和本征激發;雜質半導體——n型和p型;平衡和非平衡載流子、半導體的兩種導電機制;pn結的形成、pn結的制備、pn結的伏特特性;太陽能電池的工作原理這些知識點。

在《太陽能電池基礎與應用》和《太陽電池材料》兩書中，對于載流子濃度等的計算有詳盡的公式推導，而由于前述本門課程面對的教學對象及課時的關系，本課程只做原理和概念性介紹，不會講解復雜的公式演算。

三、電池性能測試、極限及損失分析

對太陽電池性能優劣的評價在于其將光能轉為電能的效率，效率由電池工作時的電流、電壓等性能參數決定。上述的兩本參考書中，都把電池性能參數的介紹和測試方法條件分在不同的章節。鑒于這些內容有相關性，并且出于對教學效率的考量，本門課程將有關性能介紹、測試、計算、分析的部分都整合在一起。介紹開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉換效率的定義及它們相互轉換計算的基本公式，略過對短路電流、開路電壓、填充因子理論數值的復雜演算過程。除此之外，還講授性能測試的方法和條件、測試所用設備、數據處理，同時介紹電池性能的影響因素、性能的極限及損失分析。

四、太陽電池的材料、結構和制備

《太陽電池材料》一書將電池結構及電池制備與電池材料特性及材料制備分開為單獨的兩章進行講述。《太陽能電池基礎與應用》則將同一材料的電池的材料特性、電池結構及制備放到一起介紹。其他大多數書籍基本按照這兩種情況安排內容。這部分內容，筆者認為將同一材料的電池的材料特性、電池結構及制備放到一起介紹的安排更有效率。首先介紹晶體硅（包括單晶和多晶）材料的制備、材料特性及電池結構、電池各部分的作用和電池生產技術和工藝。對于無機薄膜電池，由于課時的原因，只選取CdTe和CuInGaSe2作為代表介紹電池結構、薄膜制備技術和生產流程。這部分的重點是讓學生掌握目前商業化程度較高，工藝比較成熟的太陽電池的特點及主要的生產技術，對于材料的物性和優缺點只做大概介紹，因此主要參考《太陽能電池基礎與應用》。同時，薄膜電池也只主要介紹單結電池，多節電池只稍微提及。

近期有機薄膜電池的發展非常迅速，效率已經超過10%，并且有機薄膜電池具有材料豐富、生產流程簡單、成本低等優點，因此具有非常大的商業潛力。而上述的兩本書籍中，均無對有機電池的介紹。順應科研和生產的發展現狀，本課程增加有機電池的內容，選取代表性的有機材料講述有機電池的工作原理、電池結構和生產流程。

五、將來太陽電池的發展方向

介紹晶體硅電池在改進電池結構和制備技術方面的新突破，化合物和有機電池在新材料研發上的新進展以及最近出現的新概念電池，讓學生對目前電池的發展方向有一定的了解。這部分內容涉及最新的研究成果，主要從網絡和文獻調研，收集材料信息。

通過整門課程的學習，學生能夠大致明了太陽能產業的發展狀況，從產業到應用的地區分布，對環境、社會可持續發展的影響;構建起比較完整的太陽電池理論和工藝的知識結構，具備從事太陽電池生產和基礎研發的基本素質。

能源化工專業的學生初步接觸和學習太陽電池的相關知識，需要考慮他們已有的知識基礎，同時兼顧相關理論的完整性和生產實際內容的實用性。而現有出版的書籍不完全適合本課程的教學，筆者從架構的課程內容體系出發，從使用的教學參考書中選編了對應的內容，力求在學生的能力范圍內較全面和具體地介紹太陽能電池從理論到實際生產的知識，選編的教學內容對能源化工或者其他非物理專業開設《太陽能電池基礎》這門課程的教學有一定的參考價值。在后續的教學中也將根據新的要求和太陽電池發展的動向對內容進行不斷完善和更新，為培養全面的、與時俱進的能源領域人才服務。

參考文獻：

[1]楊德仁.太陽電池材料[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]熊紹珍，朱美芳.太陽能電池基礎與應用[M].北京：科學出版社，2009.

[3]沈輝，曾祖勤.太陽能發電技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4][澳]馬丁·格林.太陽電池工作原理、工藝和系統的應用[M].李秀文，等，譯.北京：電子工業出版社，1987.

[5]李偉.太陽能電池材料及其應用[M].成都：電子科技大學出版社，2014.

[6][美]胡晨明，R.M.R懷特.太陽電池[M].李采華，譯.北京大學出版社，1990.

The Curriculum System Construction of "Fundamentals of Solar Photovoltaic Cell" for Energy Chemical Engineering

LI Ming

（College of Chemical and Biologic Engineering，Guilin University of Technology，

Guilin，Guangxi 541004，China）

Abstract：Base on the content classification of solar photovoltaic cell area and basic theoretical conditions of the students major in energy chemical engineering，combing the development and technique innovation of solar photovoltaic industry，the curriculum system of fundamentals of solar photovoltaic cell suitable for students major in energy chemical engineering was constructed through gathering，collating and research of teaching reference books.

Key words："Fundamentals of Solar Photovoltaic Cell";teaching content;content selection