虛擬仿真環(huán)境下鈣鈦礦半導(dǎo)體及其光伏器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

張 帥， 房 香， 張 婧， 朱科鈐， 任玉榮

（常州大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；c.機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引 言

2020 年我國(guó)提出將力爭(zhēng)在“2030 年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”的能源轉(zhuǎn)型新目標(biāo)，并明確在碳達(dá)峰期間非石化能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，2021 年又進(jìn)一步明確了將構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［1-2］。光伏發(fā)電是目前節(jié)能減碳最有效的電力能源之一，因此有望成為我國(guó)碳中和道路上構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的主力［3-4］。2021 年，我國(guó)光伏新增裝機(jī)創(chuàng)歷史新高，達(dá)54.88 GW，權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)全球光伏新增裝機(jī)年需求將邁向TW 時(shí)代。在“雙碳”目標(biāo)的背景下，近年來(lái)興起的一些新型太陽(yáng)能電池更是引起了人們的極大關(guān)注。鈣鈦礦光伏材料具有光吸收系數(shù)高、載流子遷移率大、合成方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率已突破25%［8］，接近晶硅太陽(yáng)能電池記錄，因此，鈣鈦礦材料被認(rèn)為是下一代最有前景的光電材料之一［9-10］。目前，牛津光伏、協(xié)鑫、纖納、極電等光伏企業(yè)已建成百兆瓦級(jí)鈣鈦礦中試產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2022 年全球?qū)⑿纬?.5 GW 的鈣鈦礦組件產(chǎn)能規(guī)模，有望開啟光伏行業(yè)新一輪的“降本增效”。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池量產(chǎn)在即，光伏行業(yè)面臨著重大變革，相關(guān)人才供給面臨巨大的缺口。

本文針對(duì)晶體結(jié)構(gòu)理論、能帶理論和載流子輸運(yùn)理論等在常規(guī)課堂講解下的難點(diǎn)和痛點(diǎn)問(wèn)題［11-12］，將光伏材料研究發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)（鈣鈦礦光伏材料）與專業(yè)實(shí)驗(yàn)、“固體物理”和“半導(dǎo)體物理與器件”等課程的相關(guān)理論和知識(shí)相結(jié)合，并基于團(tuán)隊(duì)人員對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的系列原創(chuàng)性成果和數(shù)據(jù)積累，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦材料物性的仿真計(jì)算及在虛擬場(chǎng)景下對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備和性能表征的模擬，直觀、生動(dòng)呈現(xiàn)鈣鈦礦組分與晶體結(jié)構(gòu)、能帶的關(guān)系和器件制備過(guò)程，解決了傳統(tǒng)教學(xué)理論不深、實(shí)操難以開展的痛點(diǎn)［13-14］。通過(guò)該虛擬仿真條件下的案例教學(xué)，使學(xué)生接觸前沿研究用大型精密設(shè)備，更使他們掌握鈣鈦礦光伏材料的構(gòu)效關(guān)系和相關(guān)器件的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

（1）掌握鈣鈦礦光伏材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光電性能等物性，理解鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)與光電性能的構(gòu)效關(guān)系。

（2）掌握并理解光電轉(zhuǎn)換原理和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池工作原理。

（3）能夠?qū)M足特定要求的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行設(shè)計(jì)、制備和性能評(píng)價(jià)。

（4）能對(duì)性能評(píng)價(jià)進(jìn)行科學(xué)分析，并用于指導(dǎo)電池的優(yōu)化迭代，形成解決復(fù)雜工程問(wèn)題的思維和能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)將仿真計(jì)算與虛擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合。物性仿真采用了晶體結(jié)構(gòu)與缺陷建模軟件Atomsk 和基于密度泛函理論（DFT）的計(jì)算軟件（Quantum Espresso）對(duì)鈣鈦礦光伏材料的物理性質(zhì)進(jìn)行第一性原理仿真計(jì)算［15］，并將其晶體和能帶結(jié)構(gòu)可視化。虛擬實(shí)驗(yàn)真實(shí)再現(xiàn)用戶作為技術(shù)人員，完成從鈣鈦礦成分調(diào)控、光伏器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光伏器件制備、性能表征評(píng)價(jià)到改進(jìn)迭代的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。晶體建模與仿真計(jì)算將為學(xué)生完成成分調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程包括課前自主學(xué)習(xí)、鈣鈦礦光伏材料物性仿真模擬、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制備、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫和提交（見(jiàn)圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)了從自然科學(xué)到工程實(shí)踐再到測(cè)試表征、從理論到實(shí)踐再到分析、從集中到發(fā)散再到集中的教學(xué)路徑（見(jiàn)圖2）。利用仿真和可視化手段呈現(xiàn)鈣鈦礦光伏材料的物性和相關(guān)自然科學(xué)知識(shí)，切實(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，體現(xiàn)“創(chuàng)新性”。在鈣鈦礦成分、電池襯底、電池工藝、電荷傳輸層選擇上進(jìn)行“發(fā)散”，考察學(xué)生設(shè)計(jì)和制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能力，體現(xiàn)“挑戰(zhàn)度”。在完成電池制備后，學(xué)生對(duì)表征評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行迭代，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力和科學(xué)思維，體現(xiàn)“高階性”［16］。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的邏輯路徑

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)知識(shí)和原理學(xué)習(xí)，場(chǎng)景漫游

對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室的基本著裝要求、常見(jiàn)安全標(biāo)識(shí)、鋼制壓縮氣瓶的使用和手套箱基本使用方法進(jìn)行了講解，并提供了B 站相關(guān)視頻鏈接作為學(xué)習(xí)內(nèi)容的補(bǔ)充。通過(guò)監(jiān)測(cè)學(xué)生是否瀏覽相關(guān)內(nèi)容和進(jìn)行考核，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果。軟件預(yù)先搭建了虛擬實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備儀器模型（手套箱、旋涂?jī)x、熱蒸發(fā)設(shè)備、模擬光源、數(shù)字源表等）。正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景后，學(xué)生可在場(chǎng)景中自由漫游學(xué)習(xí)，點(diǎn)擊設(shè)備儀器和藥品試劑，可查看詳細(xì)介紹說(shuō)明，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)。

在正式開始實(shí)驗(yàn)前，對(duì)半導(dǎo)體及其能級(jí)、光電轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能電池光電性能基本參數(shù)和鈣鈦礦光伏材料與器件進(jìn)行學(xué)習(xí)，內(nèi)容包括文字、圖片、自錄視頻和B站視頻等。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真，形象直觀地向?qū)W生呈現(xiàn)鈣鈦礦光伏材料的三維晶體結(jié)構(gòu)、能帶和X 射線衍射數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3（a）～（c）），使他們掌握鈣鈦礦成分與物性的關(guān)系（見(jiàn)圖3（d）），為后續(xù)根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)鈣鈦礦光活性層的組分奠定基礎(chǔ)。此外，還設(shè)計(jì)考核環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生了解自己的學(xué)習(xí)情況并彌補(bǔ)缺漏。

圖3 鈣鈦礦光伏材料物性仿真模擬結(jié)果

2.2 設(shè)計(jì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)和光活性層成分，完成前驅(qū)體溶液配置

根據(jù)隨機(jī)給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)目標(biāo)（正置高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、倒置高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、正置疊層太陽(yáng)能電池頂電池或倒置疊層太陽(yáng)能電池頂電池）設(shè)計(jì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，選擇合理的襯底（透明導(dǎo)電電極和電荷傳輸層1）；根據(jù)高效太陽(yáng)能電池和疊層太陽(yáng)能電池頂電池對(duì)鈣鈦礦材料帶隙的不同要求，設(shè)計(jì)鈣鈦礦光活性層組分。在配置鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的過(guò)程中（見(jiàn)圖4），重點(diǎn)考察用戶對(duì)溶劑影響鈣鈦礦成核與結(jié)晶的理解，兼顧天平稱量操作的考核。實(shí)驗(yàn)記錄會(huì)自動(dòng)記錄襯底、鈣鈦礦組分、使用的溶劑和用量等關(guān)鍵信息。

圖4 鈣鈦礦前驅(qū)體溶液配置的虛擬場(chǎng)景

2.3 鈣鈦礦光吸收層制備

本實(shí)驗(yàn)步驟主要包含兩大目的：①使用戶掌握制備鈣鈦礦光活性層的關(guān)鍵工藝流程；②使用戶理解鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及反溶劑對(duì)結(jié)晶過(guò)程的調(diào)控。除此之外，兼顧對(duì)旋涂?jī)x、熱臺(tái)等設(shè)備操作的考核。用戶應(yīng)首先對(duì)熱臺(tái)進(jìn)行預(yù)熱后，再進(jìn)行鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的旋涂（見(jiàn)圖5），最后對(duì)樣品進(jìn)行退火。在旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液過(guò)程中，用戶需要自主的在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)滴加反溶劑，從而調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶，獲得高質(zhì)量的薄膜。如用戶在旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液過(guò)程中，未滴加反溶劑，實(shí)驗(yàn)流程仍能進(jìn)行，但會(huì)對(duì)最終的器件性能產(chǎn)生影響。用戶對(duì)旋涂?jī)x、熱臺(tái)等設(shè)備的操作自動(dòng)生成得分，并體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)得分中。

圖5 鈣鈦礦層旋涂的虛擬場(chǎng)景

2.4 電荷傳輸層2 制備和蒸鍍金電極

本實(shí)驗(yàn)步驟主要考察用戶對(duì)鈣鈦礦光伏器件結(jié)構(gòu)的理解和是否掌握常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體特性。在無(wú)系統(tǒng)提示的情況下，用戶應(yīng)從3 種電荷傳輸材料中選擇合適的材料制備電荷傳輸層2。忽略該步驟或選擇錯(cuò)誤的材料均不影響工藝流程的進(jìn)行，但會(huì)對(duì)最終的器件性能產(chǎn)生影響。

在完成電荷傳輸層2 的制備后，用戶應(yīng)先刮除一定區(qū)域的薄膜，使透明導(dǎo)電電極暴露，然后利用掩膜版完成金的熱蒸鍍，形成具有特定形狀和大小的金電極區(qū)域，最終完成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備。此步驟也涉及鈣鈦礦光伏器件結(jié)構(gòu)的考核。

2.5 測(cè)試評(píng)價(jià)、問(wèn)題解析、實(shí)驗(yàn)糾錯(cuò)、電池迭代

用戶利用特定的夾具、數(shù)字源表和模擬光源對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換性能（短路電流、開路電壓、填充因子、能量轉(zhuǎn)換效率）進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)（見(jiàn)圖6（a）），重點(diǎn)考察用戶對(duì)制備器件的性能是否滿足任務(wù)目標(biāo)的判斷，并兼顧考核光照掩膜版、夾具和模擬光源的使用。

圖6 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池測(cè)試評(píng)價(jià)（a）和問(wèn)題解析（b）的虛擬場(chǎng)景

如用戶判斷制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能未達(dá)到任務(wù)目標(biāo)要求，可選擇繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)其他的測(cè)試表征結(jié)果（鈣鈦礦薄膜外觀、微觀形貌、XRD圖譜、紫外-可見(jiàn)吸收光譜等）（見(jiàn)圖6（b）），解析原因，返回到相關(guān)步驟完成實(shí)驗(yàn)糾錯(cuò)和電池迭代。這部分內(nèi)容強(qiáng)調(diào)用戶應(yīng)充分理解鈣鈦礦材料的物性和器件性能與工藝流程的關(guān)系，應(yīng)具備較高的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，體現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性和挑戰(zhàn)度。用戶有且僅有一次機(jī)會(huì)完成實(shí)驗(yàn)糾錯(cuò)和電池迭代。

2.6 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本信息、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本信息包含本次實(shí)驗(yàn)學(xué)生的相關(guān)信息；學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告是系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的操作過(guò)程提取的關(guān)鍵過(guò)程與參數(shù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、考核答題結(jié)果等數(shù)據(jù)，其中還要求學(xué)生規(guī)范填寫實(shí)驗(yàn)總結(jié)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是軟件對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作、答題、參數(shù)設(shè)定等過(guò)程客觀評(píng)分，生成詳細(xì)的得分、總成績(jī)和評(píng)語(yǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)聚焦鈣鈦礦光伏材料及器件，基于教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的系列原創(chuàng)性成果和數(shù)據(jù)積累，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦材料物性的仿真計(jì)算及在虛擬場(chǎng)景下對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備和性能表征的模擬，直觀、生動(dòng)呈現(xiàn)鈣鈦礦組分與晶體結(jié)構(gòu)、能帶的關(guān)系和器件制備過(guò)程，解決了傳統(tǒng)教學(xué)理論不深、實(shí)操難以開展的痛點(diǎn)。更可使學(xué)生接觸前沿研究用大型精密設(shè)備，掌握鈣鈦礦光伏材料的構(gòu)效關(guān)系和相關(guān)器件的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括鈣鈦礦光伏材料物性仿真計(jì)算和虛擬場(chǎng)景下鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備與評(píng)價(jià)過(guò)程，采用從自然科學(xué)到工程實(shí)踐再到測(cè)試表征、從理論到實(shí)踐再到分析、從集中到發(fā)散再到集中的教學(xué)路徑，提升用戶自主設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題的能力，是“高階性”和“先進(jìn)性”顯著的、具有較高“挑戰(zhàn)度”的教學(xué)案例。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)以“科教產(chǎn)”融合為特色，利用科研最新成果不斷完善豐富相關(guān)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)常州大學(xué)材料類人才培養(yǎng)，輻射各大光伏企業(yè)和科研院所。目前，本實(shí)驗(yàn)課程除了應(yīng)用于高校人才培養(yǎng)外，還向常州亞瑪頓股份有限公司和常州妤奇新能源技術(shù)有限公司開放共享，用于鈣鈦礦技術(shù)人員的培訓(xùn)，促進(jìn)了光伏企業(yè)的“降本增效”。2022 年，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例被評(píng)為江蘇省研究生優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。