太陽電池數值模擬軟件在高職光伏專業課程中應用的思考

何 帆

（樂山職業技術學院，四川 樂山 614000）

引言

太陽能光伏發電技術以其能源轉換直接、資源豐富、度電成本低等優勢已成為可再生能源技術創新、實現碳中和目標的核心技術之一。光伏產業是基于半導體技術和新能源需求而興起的朝陽產業，是未來全球先進產業競爭的制高點。隨著我國光伏產業的不斷發展，降本增效不斷推進，對產業技術技能人才的綜合素質要求也不斷提升。尤其是在太陽電池制備領域，新材料、新結構、新技術快速更新，對高職院校人才培養提出了更高要求。因此，在光伏專業相關課程教學中需要不斷探究更加高效、前沿的教學手段，提升光伏專業高職學生太陽電池相關理論知識，增強對太陽電池參數、性能等方面的認識。

數值模擬具有驗證器件物理模型的可行性、輔助分析實驗結果、預測材料及器件結構變化對性能的影響等作用，是高校科研人員或企業研發人員進行太陽電池設計及理論分析的重要手段。在高職光伏專業相關課程中引入數值模擬教學是一種有益的嘗試。本論文通過分析光伏專業相關課程教學現狀，探究SCAPS 太陽電池數值模擬軟件在課程中應用的必要性和需注意的問題，旨在為光伏專業相關課程探究新的教學工具和手段，促進光伏產業人才培養。

1 高職光伏專業相關課程教學現狀分析

太陽電池的原理、參數、性質等是光伏技術的基礎，在“光伏發電原理”“太陽電池制備技術”“薄膜太陽電池技術”等課程中都有所涉及。充分理解太陽電池相關基礎理論知識，對于后續“光伏組件生產技術”“光伏系統設計”等課程的學習具有重要意義。目前對于太陽電池相關知識的學習大都通過老師講述授課、PPT 展示等方式。老師在講解太陽電池材料、結構、環境參數與輸出性質的關系時大都只能通過公式推導講解，甚至直接給出結論讓學生記憶。這些學習方式要么較為枯燥，難以激發學生學習興趣；要么不夠系統，難以使學生真正深入、全面地了解太陽電池運行情況。因此，需要采用更加直觀、高效、前沿的教學工具或手段，增強學習效果。

2 引入太陽電池數值模擬軟件的必要性

2.1 可增強教學直觀性

SCAPS 是Gent 大學ELIS（the department of Electronics and Information Systems）的Burgelman 等人開發的一款1D太陽電池模擬軟件，具有操作簡單、功能較為全面等特點，較為適合高職學生使用。采用SCAPS 數值模擬軟件輔助太陽電池相關課程教學的直觀性體現在三個方面，一是可直觀設置電池結構，學生可自行添加電池各功能層，并且進行各功能層參數設置（如圖1 所示）；二是可根據設置直接輸出對應參數，使學生理解參數與性能的關系；三是可顯示出J-V 曲線、C-V 曲線、QE 曲線等幾乎所有常用的電池性質或參數（如圖2 所示），便于學生全面理解太陽電池性質。以“載流子復合分析”教學為例，該部分內容是太陽電池學習的重難點，輻射復合、缺陷復合、俄歇復合及界面復合等復合作用是影響太陽電池性能的重要因素。由于該部分內容較為抽象，涉及的理論公式較為復雜，學生學習存在一定困難。然而，通過SCAPS 數值模擬軟件，學生可以通過自己操作，直觀看到不同復合類型、不同缺陷濃度、不同缺陷位置、不同表面復合速率等對電池輸出性能、量子效率等的影響，從而加深對太陽電池復合與性能之間關系的認識。

圖1 SCAPS 軟件中電池結構及材料設置頁面

圖2 SCAPS 軟件中電池I-V 曲線輸出頁面

2.2 可強化學生太陽電池理論知識

電流密度方程、連續性方程、泊松方程合稱半導體三大基礎方程，或半導體輸運方程組，通過合理的近似處理并在一定邊界條件求解該方程組，可以得到異質結器件的伏安特性。由于SCAPS 的工作原理即為通過定義電池的器件結構及功能層的材料參數，求解泊松方程、電流密度方程及連續性方程，從而得到各結構及材料參數下電池的輸出性能及其他物理性質。在學習和操作SCAPS 及其他太陽電池數值模擬軟件過程中，必然能夠強化學生太陽電池理論知識。此外，通過太陽電池數值模擬軟件可以減少學生學習難度，增強學習效果。例如，在“伏安特性及輸出特性”教學中，往往是先講解太陽電池伏安特性公式推導，然后展示太陽電池的等效電路圖示意圖或電流密度—電壓輸出曲線示意圖。當學生對前期pn 結基礎及伏安特性公式沒有很好理解時，就會影響對后期輸出性能等知識的學習。通過數值模擬軟件，可以直接結合能帶圖、J—V 曲線、QE曲線等輸出結果，使學生直觀看到太陽電池結構建立、參數設置、運行條件及結果輸出的全過程，有助于更好地掌握太陽電池原理和特性。

2.3 可緊跟電池技術前沿

目前大多數太陽電池相關教學資料仍都是以經典晶硅同質結太陽電池為例，然而近年來隨著異質結太陽電池迅速發展，學生需要加深理解界面缺陷、能帶匹配等電池設計概念。SCAPS 能夠模擬多種不同結構太陽電池性能，具有以下功能特點：（1）幾乎所有材料的參數都可進行漸變設置；（2）包括三種類型復合機制；（3）可進行體材料及界面缺陷態設置；（4）可進行多種缺陷能級及電荷態設置；（5）可進行多種缺陷能級分布設置；（6）可自定義接觸電極的功函數及定義入射光通量；（7）允許隧穿設置；（8）建立了光子吸收、載流子生成計算模型，且支持外部文件導入；（9）可進行多種模擬光譜設置；（10）可對不同工作條件進行模擬；（11）可輸出幾乎所有常用的電池性質或參數JV 曲線、C-V 曲線、QE 曲線、能帶圖、載流子濃度分布、電流密度分布、載流子產生及復合曲線、電場分布等。有助于學生充分掌握太陽電池工作特性，特別適合部分學習能力較強的學生開展探究性學習，了解電池前沿技術。

3 引入太陽電池數值模擬軟件需注意的問題

在高職光伏專業相關課程中引入數值模擬軟件教學具有諸多優勢，同時也存在一些問題。首先，目前常用的太陽電池數值模擬軟件大都為國外機構開發，而高職學生普遍外語能力較差，在軟件學習中容易產生畏難情緒。其次，太陽電池數值模擬軟件學習對基礎方程、伏安特性等理論知識有一定要求，高職學生大都基礎較差、在校學習時間短，難以快速補齊理論知識缺乏的短板。此外，采用數值模擬軟件，甚至是多種數值模擬軟件教學，對高職教師自身學習能力提出了新要求，教師自身先要系統掌握軟件使用，在教學中才能深入淺出地講解。

4 總結

高等職業技術學校是產業技術人才培養的前沿陣地，全國相關高職院校已為我國光伏產業輸送了大量技術技能人才。在光伏產業今后的發展中，特別是太陽電池制造領域，進一步提升產業技術人員的素質是亟待解決的問題。熟悉太陽電池基礎理論，系統掌握太陽電池參數性質，參與太陽電池技術更新、研發是今后對太陽電池制備領域技術人才提出的新要求。綜上所述，在高職光伏專業人才培養過程中，不斷克服可能遇到的問題，引入太陽電池數值模擬軟件，有助于增強教學直觀性，夯實學生基礎理論，激發學生鉆研行業前沿，是一種有益嘗試。