《太陽能電池材料》教學方法的探索

于瓊燕,劉帥帥

(河南工程學院 理學院，河南 鄭州 451191)

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和全球?qū)δ茉葱枨蟮娜找嬖黾?，石油、煤炭等傳統(tǒng)的能源具有不可再生性，同時伴隨著這些能源的應用造成環(huán)境的污染，能源和環(huán)境問題成為社會發(fā)展面臨的兩大問題。解決這些問題的途徑就是開發(fā)和利用新能源，而太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生新能源，太陽能光伏發(fā)電則是一種零排放且能夠規(guī)模應用的能源技術(shù)，其開發(fā)與利用越來越引起人們的重視[1]。因此，作為太陽能的三大應用方式之一的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)就迅速發(fā)展起來，而產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要相應的人才，應用物理光伏方向?qū)I(yè)在我國部分高校逐漸設(shè)立和發(fā)展起來[2]。但是作為一新型的專業(yè)，如何和社會光伏發(fā)展相結(jié)合，如何看清光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景，如何提高學生對專業(yè)的認識等問題，是教師們關(guān)心和解決的問題，尤其是光伏方向課程的教師。因此，作為一名《太陽能光伏材料》的教師，在教學中不斷探索其教學方法，提高教學質(zhì)量和教學效果，使學生學有所用，更快的適應社會并推動光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 課堂知識的講解技巧

1.1 教材的框架

依據(jù)制定的應用物理專業(yè)光伏方向的培養(yǎng)方案和目標，選擇合適的教材是上好課的第一步。本文是以《太陽能電池材料及其應用》(李偉主編)作為上課用書，在上課的過程中主要參考楊德仁主編的《太陽能電池材料》。當然為了更好的備課，在熟悉和掌握教材內(nèi)容外，結(jié)合專業(yè)實際和學生本身查閱大量的相關(guān)資料去豐富和更新。

在確定教材的基礎(chǔ)上，熟悉和掌握教材內(nèi)容是上課的前提，但是提煉出教材的框架是上好課的前提。《太陽能電池材料及其應用》一書從太陽能電池的物理基礎(chǔ)出發(fā)，圍繞幾種典型太陽能電池材料的性質(zhì)、制備工藝及其與器件性能的關(guān)系進行詳細闡述[3]。教材的主題框架如圖1示，具體分析如下：

(1)教材的第一部分是基礎(chǔ)知識。包括太陽能利用方式和太陽能電池的基礎(chǔ)知識。

(2)教材的第二部分是硅材料太陽電池，按照單晶硅、鑄造多晶硅、帶硅多晶硅、非晶硅的主線分別進行分析，而每一種硅材料是依據(jù)基本性質(zhì)及應用、制備、雜質(zhì)和缺陷的內(nèi)容安排。

(3)教材的第三部分是化合物電池材料，包括GaAs、CdTe、CIS類化合物。主要是材料的基本性質(zhì)、制備、太陽能電池的內(nèi)容?；拘再|(zhì)都是從結(jié)構(gòu)、相圖、光學性質(zhì)和電學性質(zhì)方面進行展開。作為本部分的主要內(nèi)容，三種化合物太陽電池著重于電池的結(jié)構(gòu)分析，這部分類似于非晶硅，但是不同于單晶硅和多晶硅部分。對于不同化合物分析方式也稍有差異， GaAs材料中的雜質(zhì)和缺陷是單獨的小節(jié)，且GaAs作為教材中出現(xiàn)的第一種化合物，其雜質(zhì)按照元素在周期表的位置進行分類講解，CdTe的摻雜與GaAs比較相似，只是以較少的篇幅分布在基本性質(zhì)中進行分析，CIS類化合物的摻雜也是基本性質(zhì)中分析，但是由于其自摻雜的特點在電學性能部分作為主要分析的內(nèi)容。

(4)教材的第四部分是有機太陽能電池材料和染料敏化太陽電池。本教材的主要優(yōu)點之一就是在無機電池材料的基礎(chǔ)上加入這兩種材料，目前產(chǎn)量的太陽電池是以硅材料為主的無機材料制成的，其他種類的電池更多的是實驗室的研究階段，但是有其各自的優(yōu)點和在小范圍的應用，需要更好的研究和利用，使得教材在內(nèi)容上更為全面、也為學生以后的發(fā)展方向提供了多樣性。

1.2 課題的引入

一節(jié)課是否精彩，是否能出奇制勝，關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是新知識的引入，如何在復習上節(jié)課知識點的基礎(chǔ)上過渡到新知識點，新知識點如何登場是教師在備課階段需要考慮的問題，而不是平淡的敘述。

例如GaAs太陽電池第一節(jié)的講解，由于其是我們學習硅材料后的第一種化合物半導體材料，需要有承上啟下的過渡，首先是復習硅材料的種類及其優(yōu)缺點，一句話概括內(nèi)容：但是歸結(jié)起來材料的成分都是單質(zhì)硅。同時提出問題：有沒有化合物太陽電池材料？有哪些？為什么只有這些化合物作為電池材料？有哪些優(yōu)點等。自然而然的過渡到化合物太陽電池材料，回答了以上幾個問題，就是新章節(jié)的概論。

引入電池的應用是達到很好教學效果的一種方法，如GaAs太陽能電池材料，展示神舟八號和神舟九號飛船的圖片，分析電池的作用及達到的轉(zhuǎn)換效率。神八之前也利用太陽能電池，但是用的是硅太陽電池，分析與硅電池的不同，應用GaAs太陽能電池的原因，并得出GaAs太陽電池的優(yōu)點。有條理的引入和過渡，吸引學生學習的興趣。又如染料敏化太陽電池的應用，由于其應用更多的局限于小范圍，學生了解的更少，課本涉及該內(nèi)容也很少，為了讓學生更好的了解染料敏化太陽電池，查閱大量的相關(guān)資料，并且加以篩選和分類，呈現(xiàn)該類電池的多方面應用，如背包充電器、屋頂鋪設(shè)太陽電池、衣服飾品、幕墻的裝飾發(fā)電、與帳篷結(jié)合的發(fā)電設(shè)施以及軍事應用的染料敏化太陽的電池，雖然其應用沒有GaAs太陽電池的航空應用給學生的印象深刻，但是一張張五顏六色的圖片展示染料敏化太陽電池應用的廣泛性和靈活性，也同樣起到吸引學生注意力的作用。

1.3 知識點的連貫性和一致性

在上課期間，要大膽的對教材做出適當?shù)恼{(diào)整和補充新的知識，但不是盲目的否定教材，而是根據(jù)教學的實際做出調(diào)整。如硅材料的講解部分，教材對單晶硅和多晶硅材料的雜質(zhì)與缺陷都進行了分析，但是多晶硅材料僅局限于多晶硅薄膜的雜質(zhì)和缺陷。而多晶硅電池(主要是鑄造多晶硅)占全球太陽能電池的54%，并且與單晶硅的相比，多晶硅含有相對較多的雜質(zhì)和缺陷，直接影響太陽能電池的性能，所以多晶硅中雜質(zhì)和缺陷的分析顯得更為重要。同時也為了內(nèi)容上的一致性，需要補充鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷，主要分析氧、碳雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)、晶界和位錯的性質(zhì)[4]。

又如CIS太陽電池的材料章節(jié)的講解，與前面各種材料的章節(jié)分布情況具有一條相似的主線：材料的基本性能-材料的制備-太陽電池，其中材料的制備又分為單晶、多晶和薄膜的制備。如果CIS材料章節(jié)也按照這樣的主線分析需要有CIS類薄膜的制備，但是教材上未單獨列出。由于材料制備特點也是體現(xiàn)出材料性能差異的一方面，也為了知識點的一致性和方便學生更好的理解，通過查閱資料，在備課時補充常用的CIS類材料薄膜的制備技術(shù)：同步蒸鍍法和硒化法，并且在顏色鮮明、制作形象的圖片基礎(chǔ)上，分析制備的原理和方法，并比較兩者的優(yōu)缺點。

1.4 教材內(nèi)容的更新和調(diào)換

大膽舍棄教材中部分不易掌握的圖片，及時更換清晰和最新的圖片。結(jié)合教材內(nèi)容與學生的實際情況，分析出不易理解和掌握的知識點，查閱光伏相關(guān)的資料，查找或制作最新和更適合的圖片。如CIGS電池材料章節(jié)的太陽電池部分，目前效率最高的CIGS電池結(jié)構(gòu)及各組成的作用是本節(jié)的一個重點，重新制作更加清晰和體現(xiàn)知識點的圖片，如圖2，學生很容易理解和掌握。圖2左展示電池的結(jié)構(gòu)和組成，同時標注有各組成的厚度，圖2右展示電池各組成的作用。

圖2 CIGS 太陽能電池的結(jié)構(gòu)

1.5 知識點的重新組織

知識的講解不僅僅是口若懸河的灌輸，還要注意各知識的組織和聯(lián)系，講解時掌握一定的技巧和過渡，并及時提出問題。例如多晶硅薄膜的制備，各種制備方法學生易混淆。講解這部分內(nèi)容時，第一，列出化學氣相沉積法制備多晶硅薄膜的三種方式： 等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、熱絲化學氣相沉積(HWCVD)；第二，提出問題：三種制備方式的氣源、工作原理、襯底溫度？第三，通過學生短時間的閱讀得到答案；第四，帶領(lǐng)學生進行分析，也是關(guān)鍵的一步，起到畫龍點睛的作用。氣源都是硅烷，而晶體硅的制備利用高純多晶硅熔融后重結(jié)晶的方法相比，溫度需要幾百度就可以硅烷分解沉積硅，不需要加熱到硅的熔點以上(1412 ℃)，當然熱絲化學沉積法除外。另外從三者襯底溫度比較，PECVD(100～300℃)、LPCVD(500～600 ℃)和HWCVD(175～400℃)，分析襯底對材料的影響。學生在分析知識點的過程中積極參與問題的解決，提高其學習的主動性。

又如非晶硅薄膜電池這一節(jié)的講解。本節(jié)重點分析非晶硅薄膜電池的兩種結(jié)構(gòu)，課本只有文字的描述，學生不容易接受。可以采用CdTe太陽能電池的上層配置和底層配置的分析方式，在講解的同時以圖片形式顯示非晶硅結(jié)構(gòu)的各組成，則兩種電池結(jié)構(gòu)就清晰的呈現(xiàn)出來，也利于分析其結(jié)構(gòu)的差異，進而得到電池性能的差異，如圖3和圖4示，講解時還可以加上動畫展示出兩種電池制作沉積的先后順序，更為形象，利于學生對知識的總結(jié)和掌握。

圖3 非晶硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)

圖4 非晶硅薄膜的n-i-p結(jié)構(gòu)

2 學生的參與

2.1 知識的拓展和分享

學生參與課堂知識點分享的內(nèi)容主要是兩個方面，一方面是已經(jīng)學過知識的總結(jié)與敘述；一方面是知識的補充。學生積極準備、收集和篩選知識點，并轉(zhuǎn)化為自己的語言，敘述給大家，在學新知識的同時，積極和同學們分享新的內(nèi)容，也鍛煉了語言表達能力。當然，由于課程的安排，學生的這部分活動只占用課堂中的十分鐘時間或者習題課。學生的課堂參與講解不是主要目的，而是要發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，利于學生理解和掌握。畢竟學生的知識面較窄，很多內(nèi)容只是簡單敘述，且關(guān)聯(lián)性較差，更多還需要老師的指導，當然在學生分享知識的同時，老師需要對知識點做一個總結(jié)和評定，并分析與課本知識的聯(lián)系以及難點等，起到事半功倍的作用。

應用物理學專業(yè)學生積極參與課堂知識的分享，起到了較好的效果，在培養(yǎng)學生的理解能力和表達能力、充分表現(xiàn)自我的同時，提高學生學習的積極主動性和學習的興趣。另外，在學生講解的時候，更多的是發(fā)現(xiàn)學生掌握的薄弱環(huán)節(jié)，針對這些問題再做深入和全面的分析。

2.2 知識的綜合和討論

《太陽能光伏材料》課程內(nèi)容安排上有別于其他課程，除了基礎(chǔ)知識，幾種太陽電池材料的內(nèi)容是平行分布，當然，根據(jù)太陽電池材料的應用情況有詳細和簡略之分。各種材料的知識點都含有材料的基本性質(zhì)、材料的制備、材料的太陽電池等內(nèi)容，為了方便學生掌握，也提高學生的綜合能力，及時讓學生綜合各材料的性質(zhì)、制備特點及差異，尤其是各電池材料太陽電池的優(yōu)缺點和目前解決的方案。知識綜合的過程中，需要一定的討論，使知識的綜合更全面，利于學生對知識的掌握。

另外，充分利用習題課時間進行作業(yè)的答疑和分析。作業(yè)是體現(xiàn)學生對知識掌握情況的一種有效方式，所以要認真對待每一次作業(yè)的批改，而不僅僅是給出對和錯。首先，需要認真批改學生的每次作業(yè)，每道題的作答情況進行分類，并在習題課上一一列出來；其次，帶領(lǐng)同學們找到相關(guān)的內(nèi)容，展開討論，確定最終的答案。使學生在討論中發(fā)現(xiàn)問題，在討論中解決問題，也在討論中掌握知識。

3 結(jié)束語

上一節(jié)課容易，但是上好一節(jié)課不容易。需要教師在充分理解和組織教材內(nèi)容同時，還需要查閱大量的資料去補充和修飾。特別是對于新開設(shè)的課程，如《太陽電池材料》，有課程本身的特點，結(jié)合光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及時加入新知識和新技術(shù)，更多的備課和講課技巧需要不斷的在實際教學中探索和總結(jié)，更好的激發(fā)學生的學習興趣，更好的掌握和運用課本知識，更好的服務于當?shù)氐墓夥a(chǎn)業(yè)。