《光伏材料和工艺技术》课程教学研究初探

1、    光伏材料和工艺技术课程教学研究初探    卢海 刘霄 王金磊摘要：光伏产业的快速发展对高水平专业人才提出了迫切需求。本文针对光伏材料和工艺技术这门专业基础课，从课程特点、教学内容和教学过程实施等方面进行了一定的研究和探讨，以更好地组织开展该课程的教学活动，提高教学质量，培養具有较高综合素质的应用型本科人才。关键词：光伏材料和工艺技术；太阳电池；教学研究；新能源：g642.0 文献标志码：a ：1674-9324（2018）36-0173-02随着全球资源的日益短缺和生态环境的日益恶化，大力发展绿色、低碳、环保的可再生能源技术已引起世界范围的广泛研

2、究与重视。在技术的不断进步和政策的持续驱动下，光伏产业自上世纪末开始进入了快速发展轨道。我国光伏产业起步较晚，但发展势头迅猛，2016年的光伏发电新增和累计装机容量均已达到全球第一，成为最大的太阳能发电基地。最近，联合国气候变化框架公约近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成了巴黎协定，更是有望进一步推动全球光伏产能的扩张。光伏产业的发展使得企业对高水平专业人才的需求越来越迫切。然而当前高校的光伏人才培养规模并不大（多数集中于高职类院校1），产业人才需求缺口明显。对于课程设计也缺乏工艺教学与实践参与环节2，使得毕业生的综合素质能力不能完全满足行企需要，形成较为突出的产教矛盾。西安科技大学材料科

3、学与工程学院自2013年起在无机非金属材料与工程专业下开设新能源材料与器件专业方向，每年会从年级中选调出一部分学生，作为该新专业的试点对象，重点培养太阳电池与锂二次电池领域的高素质应用型人才。学院已形成了较为完善的人才培养方案，其中专门设置了光伏材料和工艺技术这一特色基础课程作为专业试点中的一个重要教学环节。本文基于几年的授课经验，对该课程的性质特点、教学内容与方法等进行一定的研究和探讨。一、课程特点该课程是针对无机非金属材料与工程专业大四学生的必修课程，为考查性质课程。课程对于理论与实践的结合比较紧密，不仅理论性很强，而且工艺实践知识也介绍得比较详细，这是其最为显著的一个特点。课程开设的目的

4、，是让学生能够系统接触光伏材料及太阳电池制造的相关理论与工艺知识，使学生对光伏发电的基本原理以及光伏材料特性与制备技术等有一个较全面的认识，了解太阳电池当前技术现状，把握该领域的发展态势。该课程的先修课程为大学物理、材料科学基础、无机材料物理性能等。二、教学内容根据课程设计，前部分主要侧重对基本原理与概念的讲解，后面则详细讲述以直拉单晶硅与铸造多晶硅为代表的光伏材料相关性质与制作工艺3。1.太阳能及其利用概述。讲解开发利用太阳能的意义，太阳能的成因，太阳能辐射和吸收的基本规律，太阳能光伏发电的优缺点，太阳能光电材料的研究与应用历史。2.太阳能光电转换物理基础。讲解半导体与太阳能光电材料的性质，

5、半导体材料的能带结构，杂质能级和缺陷能级的形成，热平衡和非平衡条件下载流子的行为，p-n结的成因、能带结构与伏安特性，金属-半导体接触与mis结构，光伏效应基本原理，等效电路图，光电转换效率的计算及其影响因素。3.太阳能电池结构与制备。讲解太阳能电池的分类方法及其研究开发进程，晶体硅太阳能电池的结构与制作工艺（包括绒面、p-n结、铝背场、金属电极、减反射层等的设计思路、结构要求与制造方法）；介绍几种薄膜太阳电池的典型结构与制作方法。4.单晶硅材料及其杂质与缺陷。讲解硅材料的基本性质与分类，高纯多晶硅的制备原理与方法，区熔单晶硅与直拉单晶硅的生产原理与制备工艺，单晶硅掺杂技术，硅晶片基本加工过程

6、；直拉单晶硅中氧、碳、金属杂质的成因、特点、影响因素与控制方法；位错的结构、性质及对太阳电池的影响。5.铸造多晶硅及其杂质与缺陷。讲解铸造多晶硅的定义、特点与发展现状，制备工艺与晶体生长规律，氧、碳、氮、氢、金属等杂质的成因、特点、作用、热处理性质及控制措施，晶界与位错的形成、吸杂作用及对硅器件的影响。6.薄膜太阳电池。讲解各类薄膜太阳电池的性能优缺点、材料制备方法、技术发展方向，包括非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、gaas、cdte和cds、cuinse2和cuinxga1-xse2等。上述整个教学内容的重点放在了第2部分和第4部分，课程章节顺序可以根据需要适当进行调整。三、教学实施该课程采用多媒体

7、与板书相结合的教学手段，以课堂讲授为主，辅以随堂测验、主题演讲和参观学习环节，注重启发式教学方法。1.课堂讲授。根据大纲要求和教材内容，课前独立制作ppt课件，力图做到图文并茂，必要时加入一些视频元素。相关内容不局限于书本知识，有一定的拓展性。例如在讲“开发利用太阳能的意义”时，会从能源短缺、环境污染、电网局限三个方面，介绍当前国内国外形势与现状，让学生深刻体会该课程学习的重要性，这不仅充实了教学内容，而且有助于调动学生学习的主动性。对于较难理解的基础理论知识，讲解过程尽量深入浅出，放慢节奏，帮助学生牢固掌握。而对于材料制备工艺，辅以实际具体的案例和相关图片，让学生获得更加形象的认识。教学过程

8、注重与学生的交流与互动，激发学习兴趣，穿插一些启发式教学4，引导学生积极思考，从而达到良好的教学效果。2.随堂测验。“太阳能光电转换物理基础”这一章节涉及较多的数学公式（如费米能级、载流子浓度等）。为了让学生增强对此部分内容的理解，提高公式灵活运用的能力，首先从课程计划中专门安排时间讲解典型的计算习题，然后进行一次随堂测验，布置几道有代表性的题目，让学生独立自主解答。教师课后阅卷，检查学生学习效果，对学生普遍遇到的答题困扰，再在课堂上做一次讲解，帮助学生加深理解、强化掌握。3.主题演讲。将班上学生分成若干小组，每个小组随机分配一个专题任务（如太阳电池用多晶硅材料技术与应用现状），让学生课后分工

9、查阅文献资料，共同完成ppt演讲稿的制作。然后各组学生中抽派代表上台为班上其他同学做主题演讲，报告之后大家一起交流讨论。这一教学形式不仅巩固了学生的专业知识，而且对于学生综合能力的提升有很好的帮助。4.参观学习。为了加强实践教学，同时进一步开拓学生视野，专门组织学生参观学院新能源实验室建设的太阳能实验教学平台，让学生对于太阳能发电装置的工作原理、构造与方法，太阳电池组件的性能测试、数据记录与分析等有一个更加直观的认识了解，课堂上学到的理论知识与实践应用形成一定的结合。5.课程考核。课程采用总评成绩=平时（20%）+实践（20%）+笔试（60%）的形式对学生进行考核。其中平时成绩包括出勤情况与课

10、堂表现（包括回答问题、互动讨论等），实践成绩一是基于随堂测验结果，二是看学生在主题演讲、参观学习等环节中的表现。笔试成绩则采取考试答题形式，通过填空、判断、选择、简答、论述等题型，考察学生对课程各知识点的掌握情况。四、结语光伏材料和工艺技术作为新能源专业试点中的一门重要课程，为学生认识新能源、了解新能源材料打开了一扇窗，奠定了一定的知识储备，同时对于学生未来可能投身于光伏行业，具有一定的引领作用与实践指导意义。该课程应以科学的教学大纲为依据，在教学内容上与时俱进5，在教学手段和方法上继续积极探索，这样才能更好地为新能源专业发展和应用型人才培养服务。参考文献：1温永春，王旭，顾大国，等.太阳能电池原理与工艺课程在材料专业中的教学研究j.教育现代化，2016，5（22）：125-126.2欧惠.太阳电池材料应用型课程教学改革研究j.新余学院学报，2016，21（3