新能源材料與器件專業(yè)案例庫建設(shè)研究*

李 燕，李 釗，高歡歡，陳雪蓮，王 磊

（西安石油大學(xué)新能源學(xué)院，陜西 西安 710065）

1 研究背景

新能源材料與器件專業(yè)是教育部2010 年新開設(shè)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)緊缺專業(yè)，是教育部為促進新能源、新材料、新能源存儲器件等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展而批準(zhǔn)成立的重要專業(yè)之一[1-2]，主要對標(biāo)解決我國能源產(chǎn)業(yè)布局和發(fā)展中存在的系列問題。目前，為適應(yīng)國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)需要，培養(yǎng)能夠系統(tǒng)掌握新能源材料、新能源器件設(shè)計與制造工藝、新能源系統(tǒng)與工程等方面的專業(yè)基本理論與基本技能的復(fù)合型人才，國內(nèi)許多高校迅速設(shè)立了新能源材料與器件專業(yè)[3-4]。

新能源材料與器件專業(yè)的學(xué)科內(nèi)涵較為繁雜，一般由材料、物理、化學(xué)、電子和機械等多學(xué)科交叉而形成[5-6]，特別是高層次的研究生培養(yǎng)，直接定位為為產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高技能人才[5]。當(dāng)前，在“碳中和”“碳達峰”戰(zhàn)略方針引領(lǐng)下，社會對研究性專業(yè)人才又提出了快速上崗和迅速發(fā)展的迫切訴求，然而，國內(nèi)絕大部分高校對新能源材料與器件專業(yè)研究生通識基礎(chǔ)的培養(yǎng)，基本還是沿用傳統(tǒng)工科專業(yè)相似的做法[7-9]，如開設(shè)實習(xí)實踐、實驗課堂和第二課堂等環(huán)節(jié)。除此之外，也有通過增設(shè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)相關(guān)課程和各種選修、輔修課程來提升學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)質(zhì)量，然而，這些傳統(tǒng)的需要長時間積淀思維模式和培養(yǎng)方法滲透的知識傳遞方法，在很大程度上與研究生的本科知識儲配以及學(xué)習(xí)時間不匹配，嚴(yán)重削弱了研究生對新能源材料與器件專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣度和探究精神。

同時，在作者近些年的研究生教學(xué)經(jīng)歷中，明顯感到有很大一部分研究生對新能源材料與器件專業(yè)的知識積累薄弱，理解能力受限，因此，在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生快速掌握新能源材料和器件專業(yè)知識體系的建設(shè)迫在眉睫。作者結(jié)合新能源材料與器件專業(yè)研究生培養(yǎng)的實際情況，針對研究生知識儲備與新能源研究方向不對接問題，提出了基于代表性器件的案例庫建設(shè)策略，分析了案例庫建設(shè)存在的問題，對代表性案例進行了主體規(guī)劃。

2 案例庫建設(shè)存在問題剖析

2.1 新能源材料和器件種類繁多

新能源材料與器件相關(guān)課程涵蓋的內(nèi)容包括新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保和高端裝備制造等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的材料，它以能量轉(zhuǎn)換與存儲、光電與節(jié)能材料及器件的設(shè)計、制備與應(yīng)用等為特色，以能量轉(zhuǎn)換與存儲、光電材料及器件的設(shè)計、制備與應(yīng)用為核心，所設(shè)計的器件和材料種類繁多，這要求具有不同學(xué)科背景的研究生，比如電器、通信和計算機等，最多在研究生一年級的整個學(xué)期中快速掌握專業(yè)的理論知識體系，這是案例庫建設(shè)的重要挑戰(zhàn)。

2.2 專業(yè)知識面覆蓋范圍廣

新能源材料與器件專業(yè)既包含材料方向的知識，又涵蓋了器件方向的知識；既需要傳統(tǒng)材料科學(xué)的理論，又需要包括電力傳輸知識和能源調(diào)度方面的實踐認(rèn)識。在知識體系上涉及物理、化學(xué)、材料、電子等多個學(xué)科，課程多而且廣泛，但具體課時有限，這一矛盾對案例設(shè)置及案例推進提出了更高的要求。針對這一點，隨著教學(xué)經(jīng)驗積累，逐步總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，研究生對新能源器件的探索能力充足，但是由于前期基本理論知識儲備的薄弱，很多學(xué)生很難在短時的課堂上找到學(xué)習(xí)的興奮點。因此，在有限的課堂上滲透基礎(chǔ)理論知識的前提下，更關(guān)鍵的是以案例為指引，帶領(lǐng)研究生開發(fā)研究和總結(jié)能力，讓學(xué)生從“興趣—知識—追求”上形成系統(tǒng)的理論思維能力，這是案例庫建設(shè)的關(guān)鍵。

2.3 建設(shè)起點要求高且可借鑒案例少

新能源材料與器件專業(yè)作為國家清潔能源優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略的支撐性專業(yè)，教育部要求其實驗課程教學(xué)必須能夠切實提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，因此，在新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)過程中，企業(yè)實際面臨的問題將作為專業(yè)的發(fā)展依據(jù)，那么緊密結(jié)合企業(yè)人才需求，培養(yǎng)能將理論應(yīng)用于新能源器件開發(fā)的合格研究生成為案例庫組建的重中之重。與此同時，新能源材料與器件專業(yè)作為開設(shè)時間不長的新專業(yè)，其課程案例的實施并無太多的現(xiàn)成經(jīng)驗可供借鑒，考慮到新能源材料與器件中器件的輕型廉價和易于展示的特點，可通過豐富相關(guān)課程的課堂形式再配合案例支撐，促成培養(yǎng)任務(wù)的推進，為案例建設(shè)定好了基調(diào)。

3 案例庫組建策略及代表性案例內(nèi)容

專業(yè)學(xué)位碩士研究生教學(xué)案例庫是由多個案例組成，案例的質(zhì)量直接決定了案例教學(xué)的效果，基于好的案例是建立案例庫的基本條件，在選取編選案例時，應(yīng)遵循以下策略。一是案例的真實性與原創(chuàng)性：案例編寫遵循真實性原則，案例必須依據(jù)器件的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展動態(tài)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H情況編寫。二是案例的典型性與啟發(fā)性：案例以問題為引領(lǐng)，符合時代發(fā)展的需要，應(yīng)用性強，突破傳統(tǒng)思維，按照“課題研究→新技術(shù)引進→教學(xué)案例編寫→課堂教學(xué)應(yīng)用”的形式，使學(xué)生了解科技最新技術(shù)發(fā)展動態(tài)。三是案例的完整性與系統(tǒng)性：案例的敘述要具體、特定，除了情節(jié)完整之外，應(yīng)包含案例正文和案例教學(xué)指導(dǎo)或使用說明，注重案例內(nèi)容涵蓋知識的相關(guān)性及多樣性，注重知識的橫向和縱向聯(lián)系，從而發(fā)揮現(xiàn)實指導(dǎo)作用和教學(xué)作用。

作者結(jié)合近些年新能源材料與器件專業(yè)教學(xué)實際，進行了大類資料分類與匯總，厘出了針對每種器件的代表性且可執(zhí)行的案例，通過教師命題，學(xué)生查閱資料、匯總PPT 和答辯等嘗試，總結(jié)歸納了以下案例。

案例一：KxMnO2·nH2O 型混合型超級電容器的設(shè)計和性能。

具有二維層狀結(jié)構(gòu)的KxMnO2·nH2O 材料是一種屬于δ 晶型的MnO2材料，該材料在層間結(jié)構(gòu)中有大尺寸K+和H2O 分子作為支柱，一方面可拓寬層間距，另一方面能夠抑制錳離子向?qū)娱g區(qū)域擴散，避免向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而有利于其層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)晶度較高的KxMnO2·nH2O 材料能夠在KCl 水溶液中工作，并發(fā)生可逆的K+嵌/脫反應(yīng)，使以該材料為核心的混合型超級電容器成為可能。此外，KxMnO2·nH2O 在KCl 水溶液中的放電比電容最高，但是對于其原因和該材料的其他性能沒有做出系統(tǒng)分析。本案例通過將KxMnO2·nH2O 的設(shè)計和性能分析作為選題，對其合成方法、性能分析思路、數(shù)據(jù)評價模式等各環(huán)節(jié)進行規(guī)劃和論述，最終由點及面闡明各類混合超級電容器的制備和性能分析原理。

案例二：抑制枝晶強化鋰金屬負極提高鋰電池循環(huán)壽命。

鋰金屬電池是一種新型的儲能器件，因其高能量密度而被廣泛研究，但其鋰負極的鋰枝晶不可控生長，尤其是沿垂直于隔膜方向生長的鋰枝晶，有刺穿隔膜造成電池短路的風(fēng)險，影響鋰金屬電池安全性能和能量密度的提升。如何減少甚至避免垂直于隔膜方向鋰枝晶生長，強化鋰金屬電池的安全性能依然是其高能量密度發(fā)展趨勢下的關(guān)鍵問題。本案例擬從鋰金屬電池安全性角度出發(fā)，以三維多孔鎳基材料調(diào)控鋰金屬微結(jié)構(gòu)，降低有效電流密度，抑制鋰枝晶生長。并深入挖掘鋰電池鋰枝晶生長內(nèi)在動力學(xué)因素，使學(xué)生深入理解鋰電池當(dāng)前的安全性痛點與所學(xué)知識的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，提升學(xué)生從實際問題出發(fā)思考問題、建立模型并解決問題的能力。

案例三：鈣鈦礦-晶硅疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

鈣鈦礦-晶硅疊層電池成為了近幾年新型太陽電池的一個熱門研究方向，從理論上講，這種電池的轉(zhuǎn)換效率可以達到30%以上。盡管廣泛意義的研究展現(xiàn)了這種疊層電池非常大的轉(zhuǎn)換效率潛力，然而到目前為止，還從未有人從光學(xué)角度提出具體化的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。本案例將從光學(xué)角度研究將納米倒金字塔結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鈣鈦礦-晶硅疊層電池，以實驗層面的可行性為前提，一方面，通過在頂?shù)纂姵刂g添加一層透明導(dǎo)電氧化物，激發(fā)頂電池內(nèi)部的折射率引導(dǎo)的導(dǎo)模共振陷光，有效阻隔頂層電池導(dǎo)波光耦合到底層電池；另一方面，通過一種典型的陷光布拉格反射層的選擇性全反射實現(xiàn)，最終設(shè)計出一種理論轉(zhuǎn)換效率更高的疊層太陽電池并闡明其設(shè)計原理。

案例四：溶液法超大面積鈣鈦礦厚膜的制備工藝設(shè)計。

國家能源局和科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》針對太陽能領(lǐng)域異軍突起的鈣鈦礦型太陽能電池（Perovskite Solar Cells，PSCs），明確提出研制PSCs 的量產(chǎn)設(shè)備，研究疊層電池制備技術(shù)，研發(fā)大面積、高效率及高穩(wěn)定性的PSCs 模組，這既給PSCs 領(lǐng)域的研究指明了前進方向，又布置了艱巨任務(wù)。實驗室量級的小面積鈣鈦礦薄膜（＜1 cm2） 已可以通過結(jié)晶行為控制順利獲得無裸漏、均勻且全覆蓋的微結(jié)構(gòu)，小面積PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率已超過單結(jié)硅太陽電池，但在PSCs 模組的開發(fā)過程中，為了適應(yīng)百平方厘米的尺度鈣鈦礦薄膜的制備，研究者針對性地推出了諸如噴墨打印、低壓抽氣（Low-pressure Gas Pumping，LPGP） 等方法，通過攤平鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，然后干燥制備大面積鈣鈦礦薄膜，然而基于新工藝很難制備大面積并且均勻全覆蓋的鈣鈦礦薄膜。考慮到溶液法具備低成本、易量產(chǎn)并且適合超輕器件開發(fā)的優(yōu)勢，本案例擬采用LPGP 技術(shù)，通過結(jié)晶行為的控制理論建設(shè)，制備20×20 cm2的CH（NH2）2PbI3（FAPbI3） 的微米級厚膜，并研究所組裝的PSCs 模組的性能。

上述案例分別為超級電容器、鋰離子電池和鈣鈦礦太陽電池3 種代表性新能源器件中的核心材料的設(shè)計和合成方法、器件組裝原理和工藝以及性能分析原則等，因此，本案例庫的特色在于不僅能夠使研究生依據(jù)具體案例快速深入理解和掌握新能源材料和器件的種類、工作原理和基本結(jié)構(gòu)，而且所選用案例緊追科研前沿，同時緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際，有效實現(xiàn)理論與實際深度融合。同時，本案例庫的建設(shè)將有助于研究生理解新能源材料與器件行業(yè)的當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，強化其在納米材料和半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的知識積累，有效提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。