何　波

(1 東華大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，上海 201620；2 廣西大學(xué)廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室(機(jī)械工程學(xué)院)，廣西南寧 530004；3 華東理工大學(xué)超細(xì)材料制備與應(yīng)用教育部重點實驗室，上海 200237)

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《薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用》課程教學(xué)研究初探

何波1，2，3

(1 東華大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，上海 201620；2 廣西大學(xué)廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室(機(jī)械工程學(xué)院)，廣西南寧 530004；3 華東理工大學(xué)超細(xì)材料制備與應(yīng)用教育部重點實驗室，上海 200237)

摘要：薄膜太陽電池因成本低廉、光電轉(zhuǎn)換效率高已成為國際光伏市場發(fā)展的新趨勢和新熱點，因此，“薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用”是光電子科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理學(xué)等相關(guān)本科專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)選修課程。該文初步探討了課程特點、學(xué)生情況、教學(xué)手段及考核方式的教學(xué)改革，以期提高本科生的專業(yè)基礎(chǔ)和科研能力，獲得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽電池工藝，教學(xué)改革，教學(xué)手段

目前市場上使用的太陽電池主要是體材料的單晶硅/多晶硅pn結(jié)電池，因為晶硅體材料的厚度約為250μm，導(dǎo)致其成本比較高。薄膜太陽電池是將一層或幾層薄膜制備成pn結(jié)或肖特基結(jié)的太陽能電池[1-2]。因其使用太陽光吸收層材料極少(厚度僅為數(shù)微米)，更容易降低成本和大面積連續(xù)生產(chǎn)。它另外一個特點是可被制成柔性可卷曲形狀，這使得它既是一種高效率、低成本能源產(chǎn)品，又是一種新型綠色建筑材料，更容易與建筑完美結(jié)合。所以薄膜太陽電池已成為國際光伏市場發(fā)展的新趨勢和新熱點，在建筑光伏一體化、荒漠電站、空間電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。因此，東華大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系開設(shè)了《薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用》課程，該課程是光電子科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理學(xué)等相關(guān)本科專業(yè)一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)選修課程。

1課程特點

該課程作為光電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)方向選修課，旨在讓學(xué)生了解薄膜太陽電池的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、制備工藝和應(yīng)用以及發(fā)展的趨勢和動態(tài)，為今后從業(yè)奠定扎實的理論和實踐基礎(chǔ)。

本課程主要內(nèi)容包括：太陽能電池的基本工作原理及表征參數(shù)，硅基薄膜電池，Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池，碲化鎘(CdTe)薄膜電池，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池，染料敏化納米晶太陽電池。

(1)太陽電池光伏物理基礎(chǔ)

講解半導(dǎo)體中電子態(tài)與能帶結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷，平衡態(tài)載流子分布，半導(dǎo)體光吸收，非平衡載流子產(chǎn)生與復(fù)合，載流子輸運性質(zhì)。理解pn結(jié)伏安特性，pn結(jié)電容，光生伏特效應(yīng)，太陽電池電流-電壓特性分析，太陽電池性能表征，量子效率譜，太陽電池效率分析，太陽電池效率損失分析。讓學(xué)生掌握了解器件模擬的意義，硅基薄膜電池的電學(xué)模型，硅基薄膜電池的光學(xué)模擬。

介紹MIS太陽電池、PERL太陽電池、刻槽埋柵太陽電池、HIT太陽電池器件結(jié)構(gòu)及性能。

(2)硅基薄膜電池

硅基薄膜電池包括非晶硅薄膜電池、微晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池。目前市場上主要是p-i-n結(jié)構(gòu)氫化非晶硅薄膜太陽電池。氫化非晶硅一般通過PECVD使硅烷分解沉積而制成。非晶硅的禁帶寬度為1.7eV，通過摻硼(BH3)或摻磷(PH5)可得到p型或n型氫化非晶硅薄膜。

這時，一個朋友告訴他讓他們尋找“代孕媽媽”，這重新燃起了陳清和方達(dá)生夫婦的希望。他們?nèi)メt(yī)院咨詢，醫(yī)生告訴他們，雇傭“代孕母親”就是將雇主的受精卵移植到“代孕媽媽”的子宮內(nèi)孕育，生出來的孩子仍然屬于雇主。

講解硅基薄膜物理及材料特性，硅基薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)及工作原理，多腔室PECVD沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及沉積動力學(xué)。

(3)高效Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池

砷化鎵(1.42eV)薄膜電池是在單晶鍺襯底上以金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)制成的薄膜太陽電池，其多結(jié)疊層Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池，具有30%以上高光電轉(zhuǎn)換效率，特別適用于空間衛(wèi)星的能源系統(tǒng)上。

講解Ⅲ—Ⅴ族化合物太陽電池的制備方法：液相外延法(LPE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延法(MBE)。使學(xué)生掌握GaAs單結(jié)電池，GaAs系列多結(jié)疊層太陽電池，Ⅲ—Ⅴ族聚光太陽電池的器件結(jié)構(gòu)和工作原理。

(4)碲化鎘(CdTe)薄膜電池

碲化鎘(CdTe)是Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，它具有直接帶隙(1.45eV)。CdTe具有很高的光吸收系數(shù)，僅2微米厚的CdTe就足夠吸收AM1.5條件下99%的太陽光。使得CdTe成為可以獲得高效率的理想太陽電池材料之一。

講解n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)太陽電池能帶圖，介紹CdTe薄膜先進(jìn)制備技術(shù)：近距離升華法、磁控濺射法、絲網(wǎng)印刷法等。

(5)銅銦鎵硒(CIGS)薄膜電池

銅銦鎵硒(CIGS)薄膜材料吸光范圍非常寬，而且在戶外環(huán)境下的穩(wěn)定性也相當(dāng)好，其具有高光電轉(zhuǎn)換效率及低材料制造成本，因此被視為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ栯姵胤N類之一。

講授CIGS薄膜太陽電池發(fā)展史，CIGS薄膜太陽電池吸收層材料，C1GS薄膜太陽電池的典型結(jié)構(gòu)，CIGS薄膜太陽電池的器件性能，CIGS薄膜太陽電池的異質(zhì)結(jié)特性，柔性襯底CIGS薄膜太陽電池，CIGS薄膜太陽電池的發(fā)展動向。

(6)染料敏化納米晶太陽電池

染料敏化納米晶太陽電池(DSSCS)主要包括：鍍有透明導(dǎo)電薄膜和納米晶層的玻璃基底、有機(jī)染料、還原電解質(zhì)以及對電極幾部分。

講解染料敏化納米晶太陽電池的結(jié)構(gòu)和組成、工作原理、光伏特性及其穩(wěn)定性，介紹染料敏化納米晶太陽電池未來的發(fā)展。

2學(xué)生情況

每年選修該課程的本科生約有40多名，其中80%是東華大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系光電子科學(xué)與技術(shù)和應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的本科三年級學(xué)生。

3課程教學(xué)實施

3.1課堂教學(xué)

教師課前認(rèn)真?zhèn)湔n，獨立制作開發(fā)《薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用》多媒體課件(如圖1所示)，撰寫講義。在課堂教學(xué)中采用PPT電子課件+黑板板書的方式授課，力圖做到基本物理概念、圖像清晰，基本內(nèi)容深入淺出、易于理解。既有基本公式的推導(dǎo)和必要理論知識的分析，也有典型應(yīng)用實例，國內(nèi)外近期發(fā)展現(xiàn)狀。在教學(xué)過程中，注重學(xué)生是學(xué)習(xí)主體的地位，師生互動，課堂交流、討論，充分激發(fā)學(xué)生的積極性和進(jìn)取心。經(jīng)學(xué)生反饋，使用制作開發(fā)的《薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用》多媒體課件，可以取得良好的教學(xué)效果。

圖1　制作開發(fā)的《薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用》多媒體課件頁面展示

3.2課堂分組討論

將學(xué)生每5人分為一組，并給每個小組分配演講專題任務(wù)。通過課前一起查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，制作PPT專題課件。然后在任課老師的組織下，各小組學(xué)生分別上講臺(給其他所有學(xué)生)演講PPT專題課件，并進(jìn)行交流討論。這既讓學(xué)生鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識，又培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)，查閱文獻(xiàn)和制作PPT課件的綜合能力。

3.3課程實驗

圖2　東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室的多功能

組織學(xué)生到東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室參觀多功能超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(如圖2所示)，到上海某公司太陽能電池生產(chǎn)基地參觀實習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生動手實踐能力，并對薄膜制備設(shè)備有了進(jìn)一步深入的認(rèn)識。

3.4考核方式

本課程學(xué)生成績由平時成績、口試成績和小論文成績構(gòu)成。其中作業(yè)占20%，口試占20%，小論文占60%。平時成績包括課堂出勤簽到情況和平時作業(yè)(閱讀相關(guān)文獻(xiàn)并翻譯)，口試成績是用PPT匯報所閱讀文獻(xiàn)的情況，小論文成績是結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容就感興趣的章節(jié)撰寫綜述性小論文，其中要求學(xué)生必須要有自己的想法(即用課堂中學(xué)習(xí)的知識解釋綜述里的內(nèi)容，學(xué)生自己的想法必須要用黑體加下劃線標(biāo)出)。

4結(jié)語

通過“薄膜太陽電池工藝與應(yīng)用”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握薄膜太陽能電池的基本工藝和應(yīng)用，并了解薄膜太陽能電池發(fā)展趨勢，能初步閱讀一些外文文獻(xiàn)。該文初步探討了該課程的特點、學(xué)生情況、教學(xué)手段及考核方式的教學(xué)研究改革，以期提高本科生的專業(yè)基礎(chǔ)和科研能力，獲得良好的教學(xué)效果。

致謝

感謝超細(xì)材料制備與應(yīng)用教育部重點實驗室(華東理工大學(xué))開放課題基金(編號：15Q10932)的項目資助。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉志鎮(zhèn)，張銀珠，黃靖云.以科研促進(jìn)《薄膜材料技術(shù)與物理》專業(yè)課程的教學(xué)改革[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2010，28(3)：474-476.

[2] 黃凱，余江應(yīng)，盛守奇.半導(dǎo)體薄膜研究性實驗教學(xué)的探索與實踐[J].物理實驗，2012，32(4)：9-12.

[3] 何波，馬忠權(quán)，徐靜.新型SINP硅藍(lán)紫光電池的研究[J].中國科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué)，2010，40(4)：407-416.

[4] 何波，馬忠權(quán)，趙磊.新型SINP硅光電池C-V/I-V特性及光譜響應(yīng)的研究[J].光電子技術(shù)，2009，29(4)：218-225.

[5] Bo He，HongZhi Wang. Fabrication and characterization of amorphous ITO/p-Si heterojunction solar cell[J]. SCIENCE CHINA Technological Sciences，2013，56(8)：1870-1876.

Research and Exploration of Teaching for the Course of Technology and Application of Thin Film Solar Cells

HE Bo1，2，3

(1 Department of Applied Physics，Donghua University，Shanghai 201620，China；2 Guangxi Key Laboratory of manufacturing system and advanced manufacturing technology，School of mechanical engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China；3 The Key Laboratory for Ultrafine Materials of The Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

Abstract：Thin film solar cells are of low cost and high efficiency. They have become the new trend and hotspot of the development in the international PV market. Therefore，the technology and application of thin film solar cells is gradually becoming an important course for college students of optoelectronic science and applied physics. In order to improve undergraduate professional foundation and enhance teaching quality in class，the teaching reform of teaching contents，characteristics and teaching methods were analyzed in this paper.

Key words：thin film solar cells technology，teaching reform，teaching methods

中圖分類號：G 642.0