曾 涛，冯诗乐，陈云霞，常启兵

(景德镇陶瓷学院，材料科学与工程学院，江西景德镇333403)

0 引言

“光伏材料学”课程教学内容可概括为四大块知识:光伏材料性能、制备工艺、器件工作原理及结构设计。笔者通过该课程首轮教学发现，太阳能电池工作原理及结构设计这类知识的介绍，学生应当具有一定的数学和物理基础。其中，器件工作原理多以微分方程进行描述，学生普遍反映学习既乏味又困难;而对于结构设计及测试环节，学生由于条件限制更是无法随堂体验，学生的学习兴趣不高。

如何在32个有限学时内，增强学生对于四大块知识的融会贯通，加深学生对太阳能电池的理解和掌握，成为“光伏材料学”定位于本科层次教学改革的一个突出课题。

wxAMPS是在著名的太阳能电池模拟软件AMPS-1D的源代码基础上，经过改进重写的一款全新太阳能电池模拟软件，它可以模拟多种结构的太阳能电池[1]。与AMPS-1D相比，该软件拥有直观的用户图形界面以及快捷的参数输入，非常适合本科层次学生进行学习操作，图形化输出的模拟结果可为课堂器件分析教学提供多样教学素材。

笔者在总结首轮教学经验基础上，在次轮课堂教学过程中结合课本相关内容，以wxAMPS使用软件为课堂授课载体，在传统的单一的课堂讲授法授课模式中引入演示法和讨论法教学模式，利用该软件对不同种类光伏材料及对应的器件结构进讲解和剖析，根据模拟结果指导学生评估材料制备工艺、器件设计的合理性。其结果是学生的学习主动性得到充分的调动，收到了良好的教学效果。

1 课堂演示法教学

我们根据课堂授课内容，查阅了相关方面的文献资料，收集了一系列的课堂演示实例。现以a-Si太阳能电池讲解为例，简单说明wxAMPS软件作为辅助教学手段如何完成“光伏材料学”四大块知识的教学实施过程。

1)a-Si太阳能电池器件结构讲解

太阳能电池能否正常工作，其结构至关重要，当然结构的确定也是模拟过程的第一步骤。如常见的a-Si太阳能电池为p-i-n典型的“三明治”结构，即先在TCO衬底上沉积p型a-SiC窗口层，再沉积i型a-Si:H本征层，最后再分别沉积n型a-Si和背电极。教师可以多媒体动画的形式在课堂上再现a-Si太阳能电池中每层沉积顺序，以加深学生对其结构的印象。

2)材料制备工艺、性能讲解

当太阳能电池结构确定后，教师可以根据所确定的结构对电池器件中每层半导体材料进行光学和电学等性能进行介绍，并给出典型的特征值，如吸收p-i-n各层的光学带隙和介电常数等。我们结合相关的制备工艺手段，如PECVD(等离子增强化学气象沉积)等，讲解工艺参数的调控对半导体材料性能的影响。

3)电池工作原理讲解

我们结合太阳能电池结构和相关材料的特性，利用前置课程“半导体物理学”中相关的器件能带结构知识对电池的工作原理进行剖析，使学生掌握a-Si太阳能电池中非平衡载流子的产生和输运过程。接着以点带面总结出太阳能电池的工作实质就是电子-空穴对的产生和分离过程，做到授课内容深入浅出。

在完成以上3个部分的讲解后，学生对a-Si太阳能电池从材料性质、制备工艺、器件结构到工作原理四大块知识有了一个基本认识。授课教师可以在讲台上用多媒体终端将上述所讲的结构和相关的材料性能参数输入到模拟软件中。当完成所有参数设置以后，便可运行程序得到典型参数条件下的模拟结果供课堂分析讲解。输入展示过程实际上也是学生再次复习的过程。

2 课堂讨论法教学

为了拓展课堂教学内容，可在其后设置对应的讨论教学环节，讨论教学可以对课堂中的学生进行分组(4～6人为一组)，每组配有一台笔记本电脑(自带)。讨论教学以问题的形式导入。对于a-Si太阳能电池来说，可以设置以相关问题让学生自行模拟，通过模拟结果给出合理解释，如:

(1)i层作为a-Si太阳能电池的吸收层，其厚度对电池的输出性能的影响如何[2]?

(2)a-Si太阳能电池为什么是p-i-n结构的，而不能像体晶硅太阳能电池一样做成简单的p-n结形式[3]?

这两个问题的设置是层层递进的关系，学生通过简单的改变i层厚度参数可以得到一系列的电池性能模拟输出参数，根据对比得到i层厚度拥有一个最佳值。而i层厚度为零时(即p-n结构)，学生通过模拟结果发现此时电池的伏安特性曲线呈现电阻特性，说明a-Si太阳能能电池不能做成p-n结形式。学生通过自己亲自模拟得到问题的答案后，会对所得结论印象加深。随后，教师应该指导学生从材料性能和电池器件结构角度对所得结果进行分析，以巩固前期教学成果。如果上述两个问题学生能够很好解决，那么学生通过整个课堂教学过程不仅掌握了基础知识，而且还提高了分析能力、应用能力和创新潜力。

3 课后作业布置

课后的作业布置内容可以让学生根据课堂教学演示过程，课后去模拟其它参数对a-Si太阳能电池输出性能的影响，如环境温度，照射光强度，p、n层的厚度与掺杂量，金属电极材料的选用、利用其它材料替换电池结构中某层材料或者n-i-p倒置结构等等。学生可通过模拟结果来评估参数输入及结构的合理性，并根据所学知识对结果进行定性解释，这样既可熟悉光伏材料的制备工艺方向，又可提高器件设计能力。授课教师应及时进行课后跟踪，选择合适时间对学生自行无法解决的疑惑问题进行辅导和答疑。

4 结语

上述所提实例教学仅仅是wxAMPS软件在“光伏材料学”课程辅助教学应用中的一例。授课教师通过该教学案例的启示进行发散，对不同种类的光伏材料及其标准电池结构进行模拟演示，如传统的c-Si、CIGS、CdTe太阳能电池，或先进电池如 HIT电池、量子点电池和染料敏化太阳能电池等。wxAMPS软件的引入体现了理论教学、实践教学一体化思想，实现了该课程四大块知识教学环节的并轨，增加师生之间互动交流，活跃课堂气氛、激发学生对专业基础知识的渴求。此外，教师可以指导学生在课堂或课余实践尝试在现有的光伏材料所对应标准太阳能电池结构基础上进行改进设计，培养学生在该领域的创新精神，为学生今后的相关行业的就业及专业深造打下扎实基础。

[1]刘一鸣，孙云，Angus Rockett.新型太阳电池模拟软件-wx-AMPS[J].北京:太阳能，2013，03

[2]姚若河，郑家华.非晶硅太阳能电池i层厚度优化的数值模拟[J].北京:实验技术与管理，2007，12(24)

[3]杨德仁.太阳能电池材料[M].北京:化学工业出版社2006版