新余學(xué)院新能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 劉堅(jiān)

0 引言

太陽(yáng)電池發(fā)電是一種利用太陽(yáng)能的較好方式[1,2]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)電池生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)[3,4]。新余市是國(guó)家新能源科技示范城，擁有賽維LDK、瑞晶等大型太陽(yáng)電池企業(yè)。新余學(xué)院較早開(kāi)設(shè)了光伏材料專業(yè)，《太陽(yáng)電池原理與工藝》是該專業(yè)的一門(mén)必修課程。筆者在這幾年教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，目前理想的《太陽(yáng)電池原理與工藝》課程的適用教材還十分稀少，使用的教學(xué)參考書(shū)主要有《太陽(yáng)能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》[5]《太陽(yáng)電池：材料、制備工藝及檢測(cè)》[6]《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》[7]《太陽(yáng)能原理與技術(shù)》[8]《太陽(yáng)能光伏電池及其應(yīng)用》[9]《光電池及其應(yīng)用》[10]，它們大都包括太陽(yáng)電池原理和太陽(yáng)電池工藝內(nèi)容。由于這些書(shū)的完成時(shí)間不同，太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝和研究成果的內(nèi)容不同，內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)也不同：有的偏重原理、有的偏重工藝，也有的偏重高效太陽(yáng)電池、太陽(yáng)電池研究進(jìn)展及世界光伏發(fā)電概況介紹等。為了促進(jìn)光伏人才的培養(yǎng)，筆者從《太陽(yáng)能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》和《太陽(yáng)電池：材料、制備工藝及檢測(cè)》兩本參考書(shū)中選取部分內(nèi)容作為該課程的教學(xué)內(nèi)容。

1 選編內(nèi)容研究

1.1 《太陽(yáng)能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》選編內(nèi)容研究

《太陽(yáng)能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》共有14章，前5章內(nèi)容為太陽(yáng)電池原理，后9章內(nèi)容為硅和化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)、性能、制作工藝，以及光伏組件、光伏系統(tǒng)和住宅、電力光伏系統(tǒng)。前5章為選編內(nèi)容：第1章介紹太陽(yáng)電池的發(fā)展概況、太陽(yáng)電池生產(chǎn)及研究現(xiàn)狀、太陽(yáng)電池發(fā)展趨勢(shì)；地球上太陽(yáng)光的物理來(lái)源，太陽(yáng)光和地球相對(duì)位置、夾角，太陽(yáng)常數(shù)，太陽(yáng)光在地球上各地的輻照強(qiáng)度及我國(guó)太陽(yáng)光分布強(qiáng)度和日照時(shí)間；太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)。這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生掌握光伏組件的安裝和了解光伏電站的選址具有理論指導(dǎo)意義。

第2章介紹幾種光伏材料的晶體結(jié)構(gòu)、能帶概念、載流子在能級(jí)上分布、本征半導(dǎo)體載流子濃度、摻雜半導(dǎo)體成鍵模型、施主和受主雜質(zhì)電離、摻雜半導(dǎo)體中載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)、載流子的漂移和擴(kuò)散等。這些內(nèi)容是太陽(yáng)電池工作原理的基礎(chǔ)內(nèi)容。

第3章介紹半導(dǎo)體對(duì)光的吸收和反射，直接半導(dǎo)體和間接半導(dǎo)體，光照作用下載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、雜質(zhì)能級(jí)中的復(fù)合及表面缺陷復(fù)合等幾種復(fù)合，泊松方程、電流密度方程、連續(xù)性方程等。這部分內(nèi)容對(duì)學(xué)生掌握影響太陽(yáng)電池效率因素和太陽(yáng)電池的電學(xué)原理具有重要意義。

第4章介紹太陽(yáng)電池核心部位——p-n結(jié)，介紹p-n結(jié)的形成，結(jié)中空間電荷區(qū)電荷分布，載流子的注入，準(zhǔn)中性區(qū)載流子的擴(kuò)散流，太陽(yáng)電池的暗特征、光照特征，太陽(yáng)電池的短路電流和開(kāi)路電壓的推導(dǎo)過(guò)程，太陽(yáng)電池的填充因子，太陽(yáng)電池效率等。這些內(nèi)容是太陽(yáng)電池原理的核心內(nèi)容。

第5章介紹影響太陽(yáng)電池效率的因素及太陽(yáng)電池的效率極限。影響太陽(yáng)電池的效率因素有光的吸收和反射、表面電極對(duì)太陽(yáng)光的遮擋、載流子的復(fù)合、載流子的躍遷能和帶隙寬度存在差異、太陽(yáng)電池本身的漏電、光伏材料晶體在結(jié)區(qū)存在缺陷、雜質(zhì)引起內(nèi)部漏電、電極消耗的電能等。這些內(nèi)容為設(shè)計(jì)制作高效太陽(yáng)電池提供了理論指導(dǎo)，是學(xué)生今后從事太陽(yáng)電池研究必不可少的內(nèi)容。

6～14章不適合作為太陽(yáng)電池工藝教學(xué)內(nèi)容，原因是既無(wú)現(xiàn)代太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝內(nèi)容，也幾乎無(wú)高效太陽(yáng)電池制作技術(shù)和硅薄膜太陽(yáng)電池內(nèi)容。因此，把上述5章作為選編教學(xué)內(nèi)容的第1～5章。

1.2 《太陽(yáng)電池：材料、制備工藝及檢測(cè)》選編內(nèi)容的研究

《太陽(yáng)電池：材料、制備工藝及檢測(cè)》共6篇18章內(nèi)容。1～3章主要介紹太陽(yáng)電池原理，4～16章內(nèi)容為有關(guān)晶體硅的生產(chǎn)、晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝、高效太陽(yáng)電池制作技術(shù)、硅薄膜太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝、化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池、有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池、染料敏化太陽(yáng)電池等。17、18章為光伏組件、商業(yè)及空間太陽(yáng)電池性能測(cè)試與評(píng)價(jià)。

第4～10章主要介紹多晶硅和單晶硅的生產(chǎn)、太陽(yáng)電池的生產(chǎn)工藝、高效太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及性能、硅薄膜太陽(yáng)電池、硅片的檢測(cè)、太陽(yáng)電池性能測(cè)試等。這些內(nèi)容作為太陽(yáng)電池工藝部分，雖然內(nèi)容合適，但各章節(jié)存在混雜重復(fù)內(nèi)容。如在第5章，既有太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝內(nèi)容，又有高效太陽(yáng)電池內(nèi)容，而第7～8章中也出現(xiàn)高效太陽(yáng)電池的內(nèi)容；再如，第6章硅薄膜太陽(yáng)電池、第9章非晶硅太陽(yáng)電池和第10章微晶硅太陽(yáng)電池，應(yīng)屬于硅薄膜太陽(yáng)電池，但被拆成3章介紹。

筆者對(duì)第4～10章內(nèi)容作一些調(diào)整。將第4章“單晶硅和多晶硅的生產(chǎn)”作為選編內(nèi)容的第6章“多晶硅的生產(chǎn)和非切片技術(shù)”。第5章內(nèi)容為晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝、光伏組件和高效太陽(yáng)電池，將晶硅太陽(yáng)電池和光伏組件作為選編內(nèi)容的第7章“多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝和光伏組件”；第5章高效太陽(yáng)電池部分并入原教材第7、8章，共同作為選編內(nèi)容的第8章“高效太陽(yáng)電池”。第6章“硅薄膜太陽(yáng)電池”、第9章“非晶硅太陽(yáng)電池”和第10章“微晶硅太陽(yáng)電池”，從太陽(yáng)電池制備材料相態(tài)、制備工藝、結(jié)構(gòu)、性能等方面看，這幾章都屬于硅薄膜太陽(yáng)電池。因此，將這些內(nèi)容編成一章，作為選編內(nèi)容的第9章“硅薄膜太陽(yáng)電池”。第7章還介紹了硅片及器件的表征和診斷，這是檢測(cè)太陽(yáng)電池質(zhì)量的內(nèi)容，因此，將它們單獨(dú)選出，作為選編內(nèi)容的第10章“硅片的檢測(cè)及太陽(yáng)電池性能的表征”。原教材第10章后其余章節(jié)的內(nèi)容可供有興趣的學(xué)生閱讀參考，不作選編教學(xué)內(nèi)容。

2 研究結(jié)果及討論分析

2.1 選編的教學(xué)內(nèi)容

第1章“太陽(yáng)電池和太陽(yáng)光”：1.1 引言；1.2太陽(yáng)電池發(fā)展概況；1.3 陽(yáng)光的來(lái)源和太陽(yáng)常數(shù)；1.4太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)；1.5 直接輻射和漫射輻射；1.6地球表面的日照強(qiáng)度和日照常數(shù)。

第2 章“半導(dǎo)體的特性”：2.1 引言；2.2 晶體結(jié)構(gòu)和取向；2.3 禁帶寬度；2.4 允許能態(tài)的占有率；2.5 電子和空穴及其動(dòng)力學(xué)；2.6 允許態(tài)的能量密度、載流子密度；2.7 IV族半導(dǎo)體的鍵模型及其第III和VI族的摻雜劑；2.8 載流子濃度；2.9 摻雜半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)；2.10 載流子傳輸 (2.10.1 漂移；2.10.2 擴(kuò)散 )。

第3章“產(chǎn)生、復(fù)合及器件物理學(xué)的基本方程”：3.1 引言；3.2 光的吸收(3.2.1 直接半導(dǎo)體；3.2.2 間接半導(dǎo)體；3.2.3 其他吸收過(guò)程)；3.3 復(fù)合過(guò)程(3.3.1 從弛豫到平衡；3.3.2 輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、陷阱復(fù)合和表面復(fù)合)；3.4 半導(dǎo)體器件物理學(xué)的基本方程。

第4章“p-n結(jié)二極管”：4.1 引言；4.2 p-n結(jié)的靜電學(xué)；4.3 結(jié)電容；4.4. 載流子注入；4.5準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散流；4.6 暗特征；4.7 光照特性；4.8 太陽(yáng)電池的輸出參數(shù)；4.9 有限電池尺寸對(duì)I0的影響。

第5章“效率的極限、損失和測(cè)量”：5.1 引言；5.2 效率的極限 (5.2.1 概要；5.2.2 短路電流、開(kāi)路電壓和效率；5.2.3 黑體電池的效率極限)；5.3溫度的影響；5.4 效率的損失(5.4.1 短路電流損失；5.4.2 開(kāi)路電壓損失；5.4.3 填充因子損失)；5.5 效率的測(cè)量。

第6章“多晶硅的生產(chǎn)和非切片技術(shù)”：6.1現(xiàn)代多晶硅生產(chǎn)技術(shù)；6.2 晶硅的生產(chǎn)(6.2.1 多晶硅摻硼定向凝固生長(zhǎng)；6.2.2 直拉法生產(chǎn)單晶硅)；6.3 電磁連續(xù)鑄造和區(qū)熔法生產(chǎn)多晶硅；6.4晶硅的切片、規(guī)格和特性；6.5 非切片技術(shù)。

第7 章“多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝和光伏組件”：7.1 引言；7.2 多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝(7.2.1硅片的腐蝕、織構(gòu)化和限光；7.2.2 硅片的清洗；7.2.3 摻雜制結(jié)；7.2.4 前表面鈍化和減反射涂層工藝；7.2.5 絲網(wǎng)印刷技術(shù)；7.2.6 背結(jié)觸的形成；7.2.7硅片質(zhì)量的改進(jìn))；7.3 光伏組件的結(jié)構(gòu)和材料。

第8章“高效太陽(yáng)電池”：8.1 高效太陽(yáng)電池開(kāi)發(fā)原理、技術(shù)；8.2 空間高效太陽(yáng)電池；8.3 地面高效太陽(yáng)電池(8.3.1 MINP太陽(yáng)電池、PESC太陽(yáng)電池；8.3.2 背面點(diǎn)接觸太陽(yáng)電池；8.3.3 PERL太陽(yáng)電池)；8.4 埋柵太陽(yáng)電池；8.5 HIT太陽(yáng)電池。

第9章“硅薄膜太陽(yáng)電池”：9.1 引言；9.2硅薄膜太陽(yáng)電池的陷光；9.3 提高硅薄膜太陽(yáng)電池的電壓；9.4 硅薄層沉積和晶體生長(zhǎng)；9.5 襯底減薄的硅薄膜太陽(yáng)電池；9.6 硅薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)；9.7 非晶硅和微晶硅太陽(yáng)電池概念、制作技術(shù)；9.8 PECVD制備硅薄膜技術(shù)；9.9 氫化非晶硅——a-Si:H；9.10 a-Si:C:H制作技術(shù)；9.11 光致退化；9.12 非晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)；9.13 非晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展趨勢(shì)。

第10章“硅片的檢測(cè)及太陽(yáng)電池性能的表征”：10.1 引言；10.2 硅片少子壽命的測(cè)量；10.3硅片電阻的測(cè)量；10.4太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓、短路電流和載流子壽命關(guān)系；10.5晶硅太陽(yáng)電池I-V特性測(cè)量和效率的測(cè)量。

2.2 討論分析

2.2.1 太陽(yáng)電池參考書(shū)中內(nèi)容選擇的分析

本文所選編的教學(xué)內(nèi)容是筆者從前期教學(xué)所使用的較熟悉的教學(xué)參考書(shū)《太陽(yáng)能電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用》和《太陽(yáng)電池：材料、制備工藝及檢測(cè)》中選取，因此，本文研究結(jié)果只是一個(gè)初步選編結(jié)果。引言部分所列出的其他4本教學(xué)參考書(shū)盡管成書(shū)時(shí)間不同，但由于太陽(yáng)電池原理理論成熟較早，所以，這部分內(nèi)容也可從它們中再選編，它們的其他內(nèi)容也各有特色和優(yōu)點(diǎn)。例如，《太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用》內(nèi)容豐富、原理和工藝介紹全面深入，體系編排結(jié)構(gòu)清晰合理，語(yǔ)言使用科學(xué)規(guī)范，是一本供從事太陽(yáng)電池生產(chǎn)和科研人員使用的很好的參考書(shū)。所以，在保持章節(jié)體系不變的前提下，后續(xù)的研究將會(huì)從它們中比較分析選取內(nèi)容，取代已選編的內(nèi)容或增加內(nèi)容。

2.2.2 太陽(yáng)電池教學(xué)內(nèi)容選擇的分析

本文選編的《太陽(yáng)電池原理與工藝》教學(xué)內(nèi)容既有原理內(nèi)容也有工藝內(nèi)容。有關(guān)太陽(yáng)電池工藝內(nèi)容的選擇進(jìn)行如下分析：晶硅太陽(yáng)電池是已產(chǎn)業(yè)化的最成熟、最多的太陽(yáng)電池，因此，有關(guān)它的內(nèi)容選擇較多。硅薄膜太陽(yáng)電池雖然光電轉(zhuǎn)換效率比晶硅太陽(yáng)電池要低，但它生產(chǎn)成本比晶硅太陽(yáng)電池低，在現(xiàn)代光伏企業(yè)的生產(chǎn)中依然存在，因此對(duì)硅薄膜太陽(yáng)電池教學(xué)內(nèi)容也作了精心的選編。高效太陽(yáng)電池是科研單位和企業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)，因此，也選編了相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。太陽(yáng)電池性能測(cè)試是學(xué)生今后從事光伏工作和研究需必備的技術(shù)，也作了選編。

本文選編的教學(xué)內(nèi)容是為開(kāi)設(shè)《太陽(yáng)電池原理與工藝》這門(mén)課的本科教學(xué)嘗試選編的，符合教學(xué)大綱教學(xué)時(shí)數(shù)為64節(jié)的要求(見(jiàn)表1)。

表1 教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)時(shí)數(shù)安排

由于教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，以及太陽(yáng)電池原理和硅材料太陽(yáng)電池教學(xué)內(nèi)容是學(xué)習(xí)其他太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)，因此，無(wú)機(jī)化合物膜薄太陽(yáng)電池、有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池、染料敏化太陽(yáng)電池等內(nèi)容不選作本課程教學(xué)內(nèi)容，有興趣學(xué)生可以自學(xué)。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者從已使用過(guò)的教學(xué)參考書(shū)中初步選取了《太陽(yáng)電池原理與工藝》課程教學(xué)內(nèi)容并將它們進(jìn)行了歸類整理。選編的內(nèi)容較豐富，內(nèi)容編排結(jié)構(gòu)體系更為清晰完整，消除了原有參考書(shū)重復(fù)混雜現(xiàn)象，符合教材的特點(diǎn)。選編的教學(xué)內(nèi)容對(duì)當(dāng)前本、?？崎_(kāi)設(shè)《太陽(yáng)電池原理與工藝》這門(mén)課的教學(xué)具有一定的參考價(jià)值。后續(xù)的研究將在章節(jié)體系不變的前提下，從其他參考書(shū)中選取內(nèi)容，取代或增加原有的已選編的教學(xué)內(nèi)容，使選編內(nèi)容更加合理完善，以適應(yīng)光伏人才培養(yǎng)的需要。

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