《光伏材料工艺学》课程教学大纲

《光伏材料工艺学》课程教学大纲课程代码：ABCL0522课程中文名称:光伏材料工艺学课程英文名称：PhotovoltaicMaterialsTechnology课程性质：必修课程学分数：2课程学时数：32授课对象：新能源材料与器件本课程的前导课程：物理化学，材料科学基础，材料物理性能一、课程简介太阳能是一种重要的、新的、有效的可再生清洁能源，其储量巨大，没有环境污染，充满了诱人的前景。目前太阳能光电方面的研究和应用在全世界范围内方兴未艾，相关太阳能光电工业发展迅速，是令人瞩目的朝阳产业。本课程介绍了太阳能及光电转换的基本原理、不同类型太阳电池的基本结构和工艺，着重从材料制备和性能的角度出发，阐述了主要的太阳能光电材料的基本制备原理、制备技术以及材料结构、组成对太阳电池的影响。太阳能光电材料包括直拉单晶硅、铸造多晶硅、带硅、非晶硅、多晶硅、GaAs、CdTe和CuInSe2(CuInS2）。本课程是新能源材料与器件（原应用物理）专业的一门专业必修课程，突出专业应用性特征，任务是培养学生树立正确的科学精神，提高综合运用所学知识去分析问题、解决问题的能力；使学生了解太阳能电池的基本结构、原理和主要材料，了解化太阳能电池材料的研究热点和方向。二、教学基本内容和要求第一章太阳能和光电转换课程教学内容：1.1太阳能；1.2太阳能辐射和吸收；1.3太阳能光电的研究和应用历史；1.4太阳电池的研究和开发；课程的重点、难点：重点是常见三种大气质量下（AM0、AM1、AM1.5）太阳光谱太阳光光谱的输出特征；太阳能的利用课程教学要求：通过本章教学，使学生认识到太阳能利用以及其它绿色可再生能源的重要性；了解太阳能电池的标准测试条件。第二章太阳能光电材料及物理基础课程教学内容：2.1半导体材料和太阳能光电材料；2.2载流子和能带；2.3杂质和缺陷能级；2.4热平衡下的载流子；2.5非平衡少数载流子；2.6p-n结；2.7金属-半导体接触和MIS结构；2.8太阳能光电转换原理—光生伏特效应；课程的重点、难点：重点是半导体材料和太阳能光电材料、载流子和能带、杂质和缺陷能级、热平衡下的载流子、非平衡少数载流子和太阳能光电转换原理—光生伏特效应；难点是p-n结、金属-半导体接触和MIS结构和太阳能光电转换原理—光生伏特效应。课程教学要求：通过本章半导体物理前置课程基础知识回顾教学，使学生了解太阳能电池的基本工作原理，能够很好的掌握不同光伏电池器件的物理模型，并求解分析。第三章太阳电池的结构和制备课程教学内容：3.1太阳电池的结构和光电转换效率；3.2晶体硅太阳电池的基本工艺；3.3薄膜太阳电池；课程的重点、难点：重点是晶体硅太阳电池的基本工艺、薄膜太阳电池。难点为晶体硅太阳电池的基本工艺要素。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解太阳电池的结构和光电转换效率；了解晶体硅太阳电池的基本工艺。掌握各类硅基太阳能电池的结构设计及工作原理；掌握各类硅基太阳能电池器件的简化能带结构示意图。第四章单晶硅材料课程教学内容：4.1硅的基本性质；4.2太阳电池用硅材料；4.3高纯多晶硅的制备；4.4太阳能级多晶硅的制备；4.5区熔单晶硅；4.6直拉单晶硅；4.7硅晶片加工；课程的重点、难点：重点是硅这种单元素半导体材料的基本性质、硅材料运用不同领域对其纯度要求控制级别定义、高纯多晶硅的制备工艺、硅晶片的加工。难点是熟悉掌握区熔单晶硅和直拉单晶硅这两种常见制备单晶硅材料的工艺方法及原理（尤其是后者）。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解硅材料各种物理化学性质，熟悉掌握单晶硅的制备方法及其后期制片加工工艺。第五章直拉单晶硅中的杂质和位错课程教学内容：5.1直拉单晶硅中的氧；5.2直拉单晶硅中的碳；5.3直拉单晶硅中的金属杂质；5.4直拉单晶硅中的位错；课程的重点、难点：重点是直拉单晶硅中的两种主要非晶杂质的氧及碳的形成，引入方式，对单晶硅材料这种光电材料的电学性能的影响；难点是单晶硅中的金属杂质的形成及引入方式，吸杂工艺的原理及位错这种二维缺陷对晶硅材料的电学性能的影响行为。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解晶硅中几种常见的杂质形成途径及其对晶硅材料的电学性质影响行为。熟悉掌握金属杂质的形成及其吸杂原理。第六章铸造多晶硅课程教学内容：6.1概述；6.2铸造多晶硅的制备工艺；6.3铸造多晶硅的晶体生长；课程的重点、难点：重点是铸造多晶硅的制备工艺；难点为铸造多晶硅的晶体生长。课程教学要求：通过本章教学，使学生熟悉掌握多晶硅锭的铸造工艺及其后期加工成片工艺。第七章铸造多晶硅中的杂质和缺陷课程教学内容：7.1铸造多晶硅的氧；7.2铸造多晶硅中的碳；7.3铸造多晶硅的氮；7.4铸造多晶硅中的氢；7.5铸造多晶硅中的金属杂质和吸杂；7.6铸造多晶硅中的晶界；7.7铸造多晶硅中的位错；课程的重点、难点：重点是铸造多晶硅中的几种常见的杂质；难点金属杂质的形成原因，引入途径及吸杂原理。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解各类杂质对铸造多晶硅的电学性能的影响机制；掌握通过人为引入或消除杂质影响，达到根据所需设计铸造多晶硅材料的工艺原理。第八章带硅材料课程教学内容：8.1带硅材料的制备；8.2带硅生长的基本问题；8.3带硅材料的缺陷和杂质；8.4带硅材料的氢钝化和吸杂；课程的重点、难点：重点是带硅材料的制备工艺、缺陷和杂质及氢钝化吸杂等基本工艺原理；难点为带硅材料的生长基本问题。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解带硅这种新型硅材料的制备方法及工艺流程，以及其是如何运用于太阳能电池器件中。第九章非晶硅薄膜课程教学内容：9.1非晶硅薄膜的基本性质；9.2等离子体化学气相沉积制备非晶硅薄膜；9.3非晶硅薄膜的掺杂；9.4非晶硅薄膜中的氢；9.5非晶硅薄膜中的光致衰减；9.6非晶硅合金薄膜；课程的重点、难点：重点是非晶硅薄膜的基本性质、等离子体化学气相沉积制备非晶硅薄膜工艺、非晶硅薄膜的掺杂、非晶硅薄膜中的氢和非晶硅合金薄膜；难点是非晶硅薄膜中的光致衰减现象的机制。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解非晶硅薄膜这种材料的性质及优缺点，非晶硅薄膜太阳能电池的基本结构及其加工优化工艺。第十章多晶硅薄膜课程教学内容：10.1多晶硅薄膜的基本性质；10.2化学气相沉积制备多晶硅薄膜；10.3非晶硅化制备多晶硅薄膜；课程的重点、难点：重点是多晶硅薄膜的基本性质、化学气相沉积制备多晶硅薄膜；难点为非晶硅化制备多晶硅薄膜动力学行为机制。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解多晶硅薄膜材料的性质及其制备工艺、优缺点以及其如何运用于光伏电池中。第十一章GaAs半导体材料课程教学内容：11.1GaAs材料的性质和太阳电池；11.2GaAs单晶材料；11.3GaAs薄膜单晶材料；11.4GaAs晶体中的杂质；11.5GaAs晶体中的缺陷；课程的重点、难点：重点是GaAs材料的物理化学性质及各种杂质形成及引入途径；GaAs太阳能电池的结构、工作原理及器件能带结构图。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解GaAs材料的性质、优缺点；掌握该种材料的所对应电池的结构模型，并能够运用半导体物理学中能带理论分析器件中载流子的输运动力行为。第十二章CdTe和CdS薄膜材料课程教学内容：12.1CdTe材料和太阳电池；12.2CdTe薄膜材料的制备；12.3CdS薄膜材料；课程的重点、难点：重点是CdTe、CdS材料其常见制备方法；难点为该材料对于器件的结构及其工作原理。课程教学要求：通过本章教学，使学生了解CdTe、CdS材料物理化学性质及制备工艺流程；掌握这两种材料在所对应器件中的所起到的作用。第十三章CuInSe2(CuInS2)薄膜材料课程教学内容：13.1CuInSe2(CuInxGa1-xSe2)材料和太阳电池；13.2CuInSe2(CuInxGa1-xSe2)薄膜材料的制备；13.3CuInS2材料的性质和太阳电池；13.4CuInS2薄膜材料的制备；课程的重点、难点：重点是CuInSe2(CuInxGa1-xSe2)、CuInS2在电池器件中所起到的作用及其常见制备方法；难点为CIS基太阳能太阳能电池器件的制备工艺，结构及其工作原理。课程教学要求：通过本章教学，使学生了该类太阳能电池现阶段发展动态；掌握该类太阳能电池的结构设计及工作原理；掌握该类太阳能电池的简单能带结构图并能够运用前置课程中所学的知识分析解决器件中非平衡载流子的输运问题。三、实验教学内容及基本要求无对应实验安排四、教学方法与手段课堂多媒体+板书理论教学五、教学学时分配章节与内容课时作业量备注第1章太阳能和光电转换2课程题库建设中第2章太阳能光电材料及物理基础2第3章太阳能电池的结构和制备2第4章单晶硅材料4第5章直拉单晶硅中的杂质和位错3第6章铸造多晶硅4第7章铸造多晶硅中的杂质和缺陷3第8章带硅材料2第9章非晶硅薄膜2第10章多晶硅薄膜2第11章GaAs半导体材料2第12章CdTe和CdS薄膜材料2第13章CuInSe2(CuInS2)薄膜材料2合计32六、考核方式与成绩评定标准1、考核方法采取统一期末闭卷考试2、成绩评定最后成绩由期末卷面分数及平时成绩综合给定，其中期末成绩所占比例为80%，平时成绩包括课堂考勤，课后作业及课堂互动表现综合给定，所占比例为20%。七、教学参考资源1、参考书目：（1）杨德仁编著，