太陽電池制備實驗教學中虛擬現實技術的應用

李 敏，陳麗霞，田 華，馬 蕾，常 亮，孫榮霞，張 雷，張 欣，閆小兵

（1. 河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002；2. 河北大學 光伏技術虛擬仿真實驗教學中心，河北 保定 071002；3. 河北大學 綜合實驗中心，河北 保定 071002）

近年來，對可再生清潔能源的需求迅猛增長，國內太陽電池行業得到快速發展[1-2]。太陽電池的生產對環境要求高、且需使用高危險性的化學氣體，不便于學生到薄膜電池制造企業進行深入實習[3-5]。為創造良好的實驗教學環境，提高學生的綜合實踐能力，并實現校企科研人才、技術的交流，我校開發了太陽電池制備及應用虛擬仿真實驗教學體系[6-7]。

1 太陽電池制備及應用虛擬仿真教學體系

我校國家級光伏技術虛擬仿真實驗教學中心根據電子科學與技術、新能源材料與器件、電氣工程及其自動化等光伏技術相關專業的培養目標，制定了“一主線、四平臺、五層次”的教學體系，建立了光伏材料、電池制備和應用實驗教學主線，連接光伏材料實驗、太陽電池制備實驗、光伏發電實驗和專業基礎實驗等4 個實驗平臺，建設了專業基礎型、專業設計型、綜合設計型、工程實訓型、工程創新型等5 個層次的實驗教學內容，形成了完整的太陽電池制備及應用實驗教學體系[8-10]，如圖1 所示。

虛擬仿真實驗教學中心結合學校的“中西部綜合實力提升計劃”，按照教學大綱的要求，以學生為主體，在平臺上開設了32 門涉及光伏技術的虛擬仿真實驗課程，包含150 余項實驗，覆蓋從光伏材料到光伏發電的所有專業知識[11]。虛擬仿真實驗資源的架構如圖2 所示，其中，太陽電池制備實驗平臺包括光伏器件性能測試、薄膜太陽電池制備和晶硅太陽電池制造3 個系統[12]。光伏器件性能測試系統包括太陽電池暗特性測量、太陽電池輸出特性測量、太陽電池溫度特性測量、太陽電池I-V 特性測量等虛擬仿真軟件。薄膜太陽電池制備系統包括TCO 膜的濺射、電池有源層的沉積、ZnO 阻擋層的沉積、金屬電極的濺射等虛實結合仿真實驗軟件。晶硅太陽電池制造系統包括硅片清洗、制絨、磷擴散、氮化硅薄膜沉積、絲網印刷、烘烤燒結、測試分選等實物實驗。

圖1 虛擬仿真實驗教學體系

圖2 光伏技術虛擬仿真實驗資源架構圖

2 太陽電池制備虛擬仿真實驗應用實例

硅基薄膜太陽電池以其制作成本較低、原材料無毒而成為當前薄膜太陽電池生產的主流。“硅基薄膜太陽電池的制備與測量”虛擬仿真實驗項目依托國家級光伏技術虛擬仿真實驗教學中心的太陽電池制備平臺，為學生提供了身臨其境的實驗場景。

2.1 虛擬仿真實驗設備、材料和項目功能模塊

硅基薄膜太陽電池的制備與測量實驗涉及的虛擬儀器主要有超聲波清洗儀、磁控濺射設備、PECVD 設備、薄膜太陽電池性能測量設備等，如圖3 所示。所需要的虛擬材料主要有玻璃、AZO 靶材、Al、無水乙醇、去離子水、丙酮（有毒）、Ar 氣、SiH4（易燃易爆）、H2（易燃易爆）、B2H6（有毒）、PH3（有毒）。

在仿真實驗主界面，設有玻璃襯底清洗、TCO 膜沉積、P 層制備、I 層制備、N 層制備、Al 膜沉積和電池性能測量7 個實驗項目的選擇按鈕。

通過主界面上的“幫助”“項目背景”“實驗目的”和“相關知識”按鈕，可為學生順利完成實驗提供幫助。將鼠標依次點擊實驗步驟的按鈕時，按鈕和屏幕上對應的步驟名稱同時高亮顯示并開始實驗。實驗界面提供訓練模式和考核模式2 種實驗模式。訓練模式有提示功能，學生可根據提示完成實驗操作。考核模式無提示功能，當學生完成實驗操作后，平臺根據實驗過程自動給出本次實驗成績。

圖3 部分虛擬仿真實驗設備

2.2 虛擬仿真項目的微觀機理揭示

在“電子科學與技術”“新能源材料與器件”“光學工程”等專業實驗課程中，硅外延層沉積、氧化層的熱生長、擴散和薄膜沉積等實驗都涉及微觀粒子運動的過程；而這些微觀粒子的運動狀態和過程在普通實驗條件下是觀察不到的。在硅基薄膜太陽電池的制備與測量虛擬仿真實驗中，為了讓學生較好地理解電池有源區結構參數對其電學特性的調控作用，可以分別設置硼摻雜濃度、磷摻雜濃度和本征層沉積溫度等參數，使用專業的光伏參數計算數學方程進行計算。不同的參數設置會得到不同的電池性能實驗結果。借助三維虛擬仿真軟件，可以逼真地展示微觀粒子在半導體材料中的運動過程，從而形象地揭示其物理變化規律，實現真實實驗不具備條件或難以實現的實驗教學功能。圖4 所示為虛擬N 層硅薄膜沉積微觀機理。

圖4 虛擬仿真N 層硅薄膜沉積微觀機理

2.3 虛擬仿真項目的評價

硅基薄膜太陽電池的制備與測量虛擬仿真實驗采用線上教學與線下答疑相結合的教學方式，以課上實驗為主，輔以課下學習及答疑。學生可以利用網絡實驗平臺進行遠程、自主、分散式學習，提高發現問題、分析問題和解決問題的能力。對虛擬仿真實驗項目采取四位一體、閉環控制的綜合評價機制，即由督導專家、教師、學生和企業專家對實驗教學效果進行評價，以在線留言、問卷調查、現場訪談等形式對虛擬實驗項目的科學性、真實性和教學效果等進行反饋，以便進行持續改進，提高虛擬實驗的教學質量。

3 太陽電池制備虛擬仿真實驗應用效果

虛擬仿真實驗教學中心自主創新開發的“光伏材料—太陽電池制備—光伏發電”太陽電池產業鏈虛擬仿真和虛實結合的實驗系統，對太陽電池制造工藝和設備進行高度仿真，學生可以通過虛擬實驗了解太陽電池生產和實驗的過程及特點，學習安全知識。基于虛擬現實的太陽電池制備及應用虛擬仿真實驗不存在高危險、高耗能和高污染問題，充分利用了虛擬仿真實驗和真實操作實驗的互補性，并發揮了兩者的優點。

迄今，河北大學已有500 余人次通過太陽電池制備及應用虛擬仿真實驗教學，實現了在企業的光伏生產線難以進行的教學功能，并且充分體現了“能實不虛、虛實互補”的原則，加強學生在光伏方向的理論和實踐技能培養。光伏虛擬實驗、真實實驗、校外工程實訓、課外創新四者相結合的教學模式，滿足了實驗教學大綱要求[13]。

此外，基于虛擬現實的太陽電池制備及應用虛擬仿真實驗面向社會提供教學訓練資源；并與光伏產業鏈相關企業（英利綠色能源控股有限公司、保定光為綠色能源科技有限公司等）共享本實驗資源，為光伏企業提供員工培養和考核提供服務。通過產學研相結合方式，不斷更新實驗教學資源，使實驗教學資源處于國內領先水平[14]。目前，“硅基薄膜太陽電池的制備與測量”已被教育部認定為2018 年度國家級虛擬仿真實驗教學項目。

4 結語

在太陽電池制備及應用相關實驗教學中融入虛擬仿真技術，能夠使學生的學習模式由傳統的課堂學習轉變為個性化的線上線下相結合的新模式；將可遠程實現虛擬仿真實驗教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合，極大地激發了學生的實驗興趣；將校內教學資源與光伏技術人才需求緊密結合起來，是校企合作、協同育人的光伏專業人才培養新途徑。