《光伏材料和工藝技術(shù)》課程教學(xué)研究初探

1、    光伏材料和工藝技術(shù)課程教學(xué)研究初探    盧海 劉霄 王金磊摘要：光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)高水平專業(yè)人才提出了迫切需求。本文針對(duì)光伏材料和工藝技術(shù)這門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，從課程特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程實(shí)施等方面進(jìn)行了一定的研究和探討，以更好地組織開(kāi)展該課程的教學(xué)活動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有較高綜合素質(zhì)的應(yīng)用型本科人才。關(guān)鍵詞：光伏材料和工藝技術(shù)；太陽(yáng)電池；教學(xué)研究；新能源：g642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a ：1674-9324（2018）36-0173-02隨著全球資源的日益短缺和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，大力發(fā)展綠色、低碳、環(huán)保的可再生能源技術(shù)已引起世界范圍的廣泛研

2、究與重視。在技術(shù)的不斷進(jìn)步和政策的持續(xù)驅(qū)動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)自上世紀(jì)末開(kāi)始進(jìn)入了快速發(fā)展軌道。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，2016年的光伏發(fā)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量均已達(dá)到全球第一，成為最大的太陽(yáng)能發(fā)電基地。最近，聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約近200個(gè)締約方在巴黎氣候變化大會(huì)上達(dá)成了巴黎協(xié)定，更是有望進(jìn)一步推動(dòng)全球光伏產(chǎn)能的擴(kuò)張。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使得企業(yè)對(duì)高水平專業(yè)人才的需求越來(lái)越迫切。然而當(dāng)前高校的光伏人才培養(yǎng)規(guī)模并不大（多數(shù)集中于高職類院校1），產(chǎn)業(yè)人才需求缺口明顯。對(duì)于課程設(shè)計(jì)也缺乏工藝教學(xué)與實(shí)踐參與環(huán)節(jié)2，使得畢業(yè)生的綜合素質(zhì)能力不能完全滿足行企需要，形成較為突出的產(chǎn)教矛盾。西安科技大學(xué)材料科

3、學(xué)與工程學(xué)院自2013年起在無(wú)機(jī)非金屬材料與工程專業(yè)下開(kāi)設(shè)新能源材料與器件專業(yè)方向，每年會(huì)從年級(jí)中選調(diào)出一部分學(xué)生，作為該新專業(yè)的試點(diǎn)對(duì)象，重點(diǎn)培養(yǎng)太陽(yáng)電池與鋰二次電池領(lǐng)域的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。學(xué)院已形成了較為完善的人才培養(yǎng)方案，其中專門(mén)設(shè)置了光伏材料和工藝技術(shù)這一特色基礎(chǔ)課程作為專業(yè)試點(diǎn)中的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。本文基于幾年的授課經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該課程的性質(zhì)特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容與方法等進(jìn)行一定的研究和探討。一、課程特點(diǎn)該課程是針對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料與工程專業(yè)大四學(xué)生的必修課程，為考查性質(zhì)課程。課程對(duì)于理論與實(shí)踐的結(jié)合比較緊密，不僅理論性很強(qiáng)，而且工藝實(shí)踐知識(shí)也介紹得比較詳細(xì)，這是其最為顯著的一個(gè)特點(diǎn)。課程開(kāi)設(shè)的目的

4、，是讓學(xué)生能夠系統(tǒng)接觸光伏材料及太陽(yáng)電池制造的相關(guān)理論與工藝知識(shí)，使學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電的基本原理以及光伏材料特性與制備技術(shù)等有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，了解太陽(yáng)電池當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀，把握該領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)。該課程的先修課程為大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、無(wú)機(jī)材料物理性能等。二、教學(xué)內(nèi)容根據(jù)課程設(shè)計(jì)，前部分主要側(cè)重對(duì)基本原理與概念的講解，后面則詳細(xì)講述以直拉單晶硅與鑄造多晶硅為代表的光伏材料相關(guān)性質(zhì)與制作工藝3。1.太陽(yáng)能及其利用概述。講解開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的意義，太陽(yáng)能的成因，太陽(yáng)能輻射和吸收的基本規(guī)律，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)，太陽(yáng)能光電材料的研究與應(yīng)用歷史。2.太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換物理基礎(chǔ)。講解半導(dǎo)體與太陽(yáng)能光電材料的性質(zhì)，

5、半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)能級(jí)和缺陷能級(jí)的形成，熱平衡和非平衡條件下載流子的行為，p-n結(jié)的成因、能帶結(jié)構(gòu)與伏安特性，金屬-半導(dǎo)體接觸與mis結(jié)構(gòu)，光伏效應(yīng)基本原理，等效電路圖，光電轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算及其影響因素。3.太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)與制備。講解太陽(yáng)能電池的分類方法及其研究開(kāi)發(fā)進(jìn)程，晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與制作工藝（包括絨面、p-n結(jié)、鋁背場(chǎng)、金屬電極、減反射層等的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)要求與制造方法）；介紹幾種薄膜太陽(yáng)電池的典型結(jié)構(gòu)與制作方法。4.單晶硅材料及其雜質(zhì)與缺陷。講解硅材料的基本性質(zhì)與分類，高純多晶硅的制備原理與方法，區(qū)熔單晶硅與直拉單晶硅的生產(chǎn)原理與制備工藝，單晶硅摻雜技術(shù)，硅晶片基本加工過(guò)程

6、；直拉單晶硅中氧、碳、金屬雜質(zhì)的成因、特點(diǎn)、影響因素與控制方法；位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對(duì)太陽(yáng)電池的影響。5.鑄造多晶硅及其雜質(zhì)與缺陷。講解鑄造多晶硅的定義、特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀，制備工藝與晶體生長(zhǎng)規(guī)律，氧、碳、氮、氫、金屬等雜質(zhì)的成因、特點(diǎn)、作用、熱處理性質(zhì)及控制措施，晶界與位錯(cuò)的形成、吸雜作用及對(duì)硅器件的影響。6.薄膜太陽(yáng)電池。講解各類薄膜太陽(yáng)電池的性能優(yōu)缺點(diǎn)、材料制備方法、技術(shù)發(fā)展方向，包括非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、gaas、cdte和cds、cuinse2和cuinxga1-xse2等。上述整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)放在了第2部分和第4部分，課程章節(jié)順序可以根據(jù)需要適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。三、教學(xué)實(shí)施該課程采用多媒體

7、與板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)手段，以課堂講授為主，輔以隨堂測(cè)驗(yàn)、主題演講和參觀學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，注重啟發(fā)式教學(xué)方法。1.課堂講授。根據(jù)大綱要求和教材內(nèi)容，課前獨(dú)立制作ppt課件，力圖做到圖文并茂，必要時(shí)加入一些視頻元素。相關(guān)內(nèi)容不局限于書(shū)本知識(shí)，有一定的拓展性。例如在講“開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的意義”時(shí)，會(huì)從能源短缺、環(huán)境污染、電網(wǎng)局限三個(gè)方面，介紹當(dāng)前國(guó)內(nèi)國(guó)外形勢(shì)與現(xiàn)狀，讓學(xué)生深刻體會(huì)該課程學(xué)習(xí)的重要性，這不僅充實(shí)了教學(xué)內(nèi)容，而且有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。對(duì)于較難理解的基礎(chǔ)理論知識(shí)，講解過(guò)程盡量深入淺出，放慢節(jié)奏，幫助學(xué)生牢固掌握。而對(duì)于材料制備工藝，輔以實(shí)際具體的案例和相關(guān)圖片，讓學(xué)生獲得更加形象的認(rèn)識(shí)。教學(xué)過(guò)程

8、注重與學(xué)生的交流與互動(dòng)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，穿插一些啟發(fā)式教學(xué)4，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。2.隨堂測(cè)驗(yàn)?！疤?yáng)能光電轉(zhuǎn)換物理基礎(chǔ)”這一章節(jié)涉及較多的數(shù)學(xué)公式（如費(fèi)米能級(jí)、載流子濃度等）。為了讓學(xué)生增強(qiáng)對(duì)此部分內(nèi)容的理解，提高公式靈活運(yùn)用的能力，首先從課程計(jì)劃中專門(mén)安排時(shí)間講解典型的計(jì)算習(xí)題，然后進(jìn)行一次隨堂測(cè)驗(yàn)，布置幾道有代表性的題目，讓學(xué)生獨(dú)立自主解答。教師課后閱卷，檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果，對(duì)學(xué)生普遍遇到的答題困擾，再在課堂上做一次講解，幫助學(xué)生加深理解、強(qiáng)化掌握。3.主題演講。將班上學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組隨機(jī)分配一個(gè)專題任務(wù)（如太陽(yáng)電池用多晶硅材料技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀），讓學(xué)生課后分工

9、查閱文獻(xiàn)資料，共同完成ppt演講稿的制作。然后各組學(xué)生中抽派代表上臺(tái)為班上其他同學(xué)做主題演講，報(bào)告之后大家一起交流討論。這一教學(xué)形式不僅鞏固了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，而且對(duì)于學(xué)生綜合能力的提升有很好的幫助。4.參觀學(xué)習(xí)。為了加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)拓學(xué)生視野，專門(mén)組織學(xué)生參觀學(xué)院新能源實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電裝置的工作原理、構(gòu)造與方法，太陽(yáng)電池組件的性能測(cè)試、數(shù)據(jù)記錄與分析等有一個(gè)更加直觀的認(rèn)識(shí)了解，課堂上學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用形成一定的結(jié)合。5.課程考核。課程采用總評(píng)成績(jī)=平時(shí)（20%）+實(shí)踐（20%）+筆試（60%）的形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。其中平時(shí)成績(jī)包括出勤情況與課

10、堂表現(xiàn)（包括回答問(wèn)題、互動(dòng)討論等），實(shí)踐成績(jī)一是基于隨堂測(cè)驗(yàn)結(jié)果，二是看學(xué)生在主題演講、參觀學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)。筆試成績(jī)則采取考試答題形式，通過(guò)填空、判斷、選擇、簡(jiǎn)答、論述等題型，考察學(xué)生對(duì)課程各知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。四、結(jié)語(yǔ)光伏材料和工藝技術(shù)作為新能源專業(yè)試點(diǎn)中的一門(mén)重要課程，為學(xué)生認(rèn)識(shí)新能源、了解新能源材料打開(kāi)了一扇窗，奠定了一定的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)對(duì)于學(xué)生未來(lái)可能投身于光伏行業(yè)，具有一定的引領(lǐng)作用與實(shí)踐指導(dǎo)意義。該課程應(yīng)以科學(xué)的教學(xué)大綱為依據(jù)，在教學(xué)內(nèi)容上與時(shí)俱進(jìn)5，在教學(xué)手段和方法上繼續(xù)積極探索，這樣才能更好地為新能源專業(yè)發(fā)展和應(yīng)用型人才培養(yǎng)服務(wù)。參考文獻(xiàn)：1溫永春，王旭，顧大國(guó)，等.太陽(yáng)能電池原理與工藝課程在材料專業(yè)中的教學(xué)研究j.教育現(xiàn)代化，2016，5（22）：125-126.2歐惠.太陽(yáng)電池材料應(yīng)用型課程教學(xué)改革研究j.新余學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，21（3