碳中和背景下太陽能電池方向本科課程體系建設的探索

陳海寧，劉慧叢，李衛平

（北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191）

0 引言

隨著人類社會不斷發展，傳統化石能源日益減少，且傳統能源的消耗帶來了嚴重的環境污染，威脅著人類的可持續發展。為了應對這一重大問題，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上提出，我國要在2060年前實現“碳中和”的具體目標，即要實現“排放的碳即是吸收的碳”，需要通過減少排放量和增加吸收量兩方面共同發力。

為了達成這一目標，發展清潔且可再生能源是最為重要的途徑，這些能源包括太陽能、風能、水能、地熱能等。作為其中一種重要的新能源，太陽能總量巨大，遠大于其他新能源，且完全可再生[1]。如果能高效的利用太陽能作為人類能量的來源，將有效解決能源危機，并使我國順利實現“碳中和”的目標。

利用太陽能的方式有很多種，如太陽能電池、光熱發電、光化學轉化等，其中太陽能電池是最為重要且應用最為廣泛的一種方式。目前，已經有多種太陽能電池被發展出來，如晶體硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物薄膜太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池等，其中晶體硅太陽能電池是最成熟且已被廣泛應用的電池，而鈣鈦礦太陽能電池是最近發展起來的新型電池[2]，有望在未來得到快速發展。

作為一個重要的方向，很多高校都開設了與太陽能電池相關的專業課程，來講授基本理論知識。例如，北京航空航天大學材料科學與工程學院（后面簡稱北航材料學院）在大三下學期開設了《新能源材料化學》來講授太陽能電池的基本理論知識。然而在當今大力發展太陽能電池情勢下，簡單的理論知識傳授顯然很難培養出優秀的專業型人才，也無法吸引更多的學生進入太陽能電池領域。為了更好的培養更多優秀的專業型人才，本論文基于北航材料學院現有課程體系探索了新課程體系的建設方案。

1 現有太陽能電池課程體系存在的問題

與很多高校所設置的新能源課程類似，北航材料學院《新能源材料化學》課程中太陽能電池只是作為多種新能源材料和器件（太陽能電池、鋰離子電池、燃料電池等）中的一種進行講授。主要介紹太陽能電池的基本工作原理和各類器件結構。因此，課程只是涉及理論知識，沒有匹配太陽能電池相關的實驗課，學生對于電池的認知還是局限于書面。僅是理論知識的講授很難使學生充分了解太陽能電池的專業方向，無法提升學生的興趣，且容易忘掉所學的理論知識[3]。當學生無法在課堂中對太陽能電池產生興趣，在選擇本科畢業設計課題和方向時將會很盲目，不利于學生自己和專業方向的發展。

本文作者根據近些年對北航本科科技競賽的了解，以太陽能電池作為主題參賽的作品非常少。作為一個非常重要的研究方向，這一現象很不合理。造成這一現狀的根本原因是，參加科技競賽的學生一般為大二大三學生，他們在參加競賽時，并沒有學習過專業方向課，對太陽能電池基本理論知識了解非常有限。所以很難在沒有知識積累的情況下想出研究課題來參賽，甚至有些學生會覺得太陽能電池過于高深，而不選擇該方向參賽。這就導致低年級本科生參與太陽能電池專業課題和項目較少，很難吸引到學生，不利于早期人才培養。

2 課程體系建設的探索分析

針對北航材料學院現有太陽能電池課程體系的不足，本文探討設計了新的課程體系。新的課程體系主要變化有兩點，其一是在現有理論基礎課后，增設一門太陽能電池的《特色實驗》課，作為理論課和畢業設計的過渡；另外，針對沒有上過太陽能電池理論課，但又想從事相關方向研究或參加科技競賽的低年級本科生，設置了《科研課堂》，作為一門引導性課程。

2.1 太陽能電池《特色實驗》設置

北航材料學院《特色實驗》是不同專業為大四學生設置的一門實驗課，也是畢業設計前的最后一門實驗課，對于學生選擇畢業設計方向和題目起到決定性作用，如果學生通過《特色實驗》了解并喜歡上相關方向，其選擇該方向作為畢設或研究生方向的可能性就非常大。上過太陽能電池理論課的學生只是對相關材料和器件的基本知識有所了解，但并不知道電池是如何制備和測試的，不能很好地判斷自己是不是喜歡或能不能從事這一方向。為此，在《新能源材料化學》課和畢設之間設置相關的太陽能電池《特色實驗》課來進行過渡是一個很好的解決辦法，同時也可以幫助學生鞏固理論知識。

《新能源材料化學》一般是大三第二學期開課，而本科畢設為大四第二學期，所以《特色實驗》設置在大四第一學期比較合理。通過理論課程的學習，學生對太陽能電池方向有初步認知，但對太陽能電池研究的認識仍然只是處于書面知識階段，對于器件如何制備、測試和分析仍是未知，不能確定太陽能電池方向是否真正適合自己，不能明確指導畢設選題。如果在理論課之后，設置太陽能電池方面的實驗課，不僅可以使學生鞏固理論知識，更重要的是從實驗中深入了解這一研究方向，為學生畢設選題提供借鑒。這一課程設計有望為太陽能電池方向招到真正感興趣的學生，促進該方向的持續且快速發展。

在《特色實驗》內容設置方面，主要考慮三個因素，一是要基于學生前面的理論知識，二是實驗條件要具有可行性，最后是要體現前沿性。晶體硅太陽能電池和化合物薄膜太陽電池是商業化比較成熟的兩類太陽能電池，現在的研究主要集中于產業化方面，且器件生產設備大型、成本高，不適合作為實驗課的研究對象[4]。目前處于研究前沿的是第三代太陽能電池，如染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、量子點敏化太陽能電池（QDSCs）等。其中，前三種電池存在材料昂貴或設備條件要求苛刻等問題，開展常規實驗有一定困難，特別是涉及實驗人數較多時。相比于上述電池，QDSCs具有前沿性強、材料易得、設備成本低等優點[5]，是作為《特色實驗》研究對象的理想選擇，而且該器件的工作原理和制備過程涉及無機合成、電化學原理、光電物理等多方面的理論知識，這些內容在大學前三年課程中都有包括，使得學生能更好地理解實驗原理。

經過《特色實驗》訓練和學習后，學生能鞏固前期學到的理論知識，同時對太陽能電池的制備、測試和分析過程有全面的了解和掌握。這對于學生在大四第二學期選擇畢設方向和題目提供很好的借鑒，有利于發現真正對太陽能電池方向感興趣的學生，從而促進專業方向的快速發展。

2.2 太陽能電池《科研課堂》設置

太陽能電池《特色實驗》課主要是針對高年級本科生設置的，主要是吸引更多對該方向感興趣的學生選擇其作為畢設或研究生方向。對于低年級學生，部分學生通過一些通識課或學術報告的學習，很早對太陽能電池方向感興趣，也希望以該方向申請大學生科研項目或參加科技競賽。但他們并未學習過相關理論知識，更沒有經過實驗培訓，直接申請或參加科研項目或競賽存在困難，無法找到對應的老師和具體的方向。這使得很少有低年級學生以太陽能電池項目申請或參加科研項目或競賽，減緩了該專業本科生的早期培養。

最近，北航為全體本科生設置了《科研課堂》，鼓勵全體老師為低年級本科生（主要為大二大三學生）開設研究性微課題，讓學生盡早參與前沿性課題的研究。每個課堂建議人數在5人左右，課堂內容靈活，可由老師和學生通過商討后設定。由于人數較少，實驗條件可直接基于實驗室現有條件，實驗內容完全可以是老師現有最前沿方向的一小部分內容，這將提高本科生在前沿性方向的參與度，可促進各專業本科生的早期培養。

《科研課堂》為改革太陽能電池專業的早期人才培養提供了思路，但《科研課堂》內容的設置應該考慮到選課對象的知識背景。由于低年級學生并沒有系統學習過太陽能電池的理論知識，所以課堂在開展實驗研究前應設有基本知識講授的內容。由于課堂選課人數較少，課堂研究主體可以是實驗室現有最主要和最前沿的方向。作為太陽能電池最前沿方向，鈣鈦礦太陽能電池由于使用的材料成本高、設備較為大型、實驗條件苛刻等問題，無法作為《特色實驗》內容，但完全可以作為《科研課堂》的研究主體。因此，太陽能電池《科研課堂》可使學生盡早接觸最前沿的研究，充分提升學生興趣，有利于學生科研素質的培養。

通過《科研課堂》的學習，學生可以深入了解太陽能電池方向最前沿課題的研究思路和過程，同時可以獲得一些初步的研究成果或產生新的研究思路。對該方向感興趣的學生可以繼續開展深入研究，也可申請校級或國家級的本科科研訓練項目，如《大學生創新性實驗計劃》等。進一步的研究成果還可以用來參加北航、北京市或全國性的科技競賽，如“馮如杯”“挑戰杯”等。此外，研究成果也可用于整理成學術性論文進行發表，使得學生在科技寫作方面上也得到鍛煉。總之，《科研課堂》內容的合理設置有望使低年級本科生更好地參與前沿性研究，有利于發現對太陽能電池方向真正感興趣的苗子，培養出優秀的研究型人才。

3 總結

現有太陽能電池專業課程體系很難使學生充分了解太陽能電池的專業方向，無法很好提起本科生學習本專業的興趣，學生很少選擇該方向參加科技競賽或作為研究專業。在“碳中和”新時代背景下，本論文提出了太陽能電池方向課程體系改革的新思路，即在理論課與畢設研究之間設置專業《特色實驗》課作為過渡性課程，并在低年級設置《科研課堂》作為科技競賽或科研項目的引導性課程。希望通過對太陽能電池方向課程體系的改革來為“碳中和”目標輸出更多更優秀的專業人才。