虛擬仿真環(huán)境下鈣鈦礦半導體及其光伏器件實驗教學設計

張 帥， 房 香， 張 婧， 朱科鈐， 任玉榮

（常州大學a.材料科學與工程學院；b.材料科學與工程國家級實驗教學示范中心；c.機械與軌道交通學院，江蘇常州 213164）

0 引 言

2020 年我國提出將力爭在“2030 年前碳達峰、2060年前碳中和”的能源轉型新目標，并明確在碳達峰期間非石化能源占一次能源消費比重將達到25%左右，2021 年又進一步明確了將構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［1-2］。光伏發(fā)電是目前節(jié)能減碳最有效的電力能源之一，因此有望成為我國碳中和道路上構建新型電力系統(tǒng)的主力［3-4］。2021 年，我國光伏新增裝機創(chuàng)歷史新高，達54.88 GW，權威機構預測全球光伏新增裝機年需求將邁向TW 時代。在“雙碳”目標的背景下，近年來興起的一些新型太陽能電池更是引起了人們的極大關注。鈣鈦礦光伏材料具有光吸收系數(shù)高、載流子遷移率大、合成方法簡單等優(yōu)點［5-7］。鈣鈦礦太陽能電池效率已突破25%［8］，接近晶硅太陽能電池記錄，因此，鈣鈦礦材料被認為是下一代最有前景的光電材料之一［9-10］。目前，牛津光伏、協(xié)鑫、纖納、極電等光伏企業(yè)已建成百兆瓦級鈣鈦礦中試產(chǎn)線，預計2022 年全球將形成1.5 GW 的鈣鈦礦組件產(chǎn)能規(guī)模，有望開啟光伏行業(yè)新一輪的“降本增效”。鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)在即，光伏行業(yè)面臨著重大變革，相關人才供給面臨巨大的缺口。

本文針對晶體結構理論、能帶理論和載流子輸運理論等在常規(guī)課堂講解下的難點和痛點問題［11-12］，將光伏材料研究發(fā)展的前沿熱點（鈣鈦礦光伏材料）與專業(yè)實驗、“固體物理”和“半導體物理與器件”等課程的相關理論和知識相結合，并基于團隊人員對鈣鈦礦太陽能電池研究的系列原創(chuàng)性成果和數(shù)據(jù)積累，通過對鈣鈦礦材料物性的仿真計算及在虛擬場景下對鈣鈦礦太陽能電池制備和性能表征的模擬，直觀、生動呈現(xiàn)鈣鈦礦組分與晶體結構、能帶的關系和器件制備過程，解決了傳統(tǒng)教學理論不深、實操難以開展的痛點［13-14］。通過該虛擬仿真條件下的案例教學，使學生接觸前沿研究用大型精密設備，更使他們掌握鈣鈦礦光伏材料的構效關系和相關器件的設計與評價。

1 實驗教學設計

1.1 實驗教學目的

（1）掌握鈣鈦礦光伏材料的晶體結構、能帶結構、光電性能等物性，理解鈣鈦礦材料的結構與光電性能的構效關系。

（2）掌握并理解光電轉換原理和鈣鈦礦太陽能電池工作原理。

（3）能夠對滿足特定要求的鈣鈦礦太陽能電池進行設計、制備和性能評價。

（4）能對性能評價進行科學分析，并用于指導電池的優(yōu)化迭代，形成解決復雜工程問題的思維和能力。

1.2 實驗原理

本實驗教學將仿真計算與虛擬實驗有機融合。物性仿真采用了晶體結構與缺陷建模軟件Atomsk 和基于密度泛函理論（DFT）的計算軟件（Quantum Espresso）對鈣鈦礦光伏材料的物理性質進行第一性原理仿真計算［15］，并將其晶體和能帶結構可視化。虛擬實驗真實再現(xiàn)用戶作為技術人員，完成從鈣鈦礦成分調控、光伏器件結構設計、光伏器件制備、性能表征評價到改進迭代的實驗過程。晶體建模與仿真計算將為學生完成成分調控、結構設計、評價改進提供理論依據(jù)。

1.3 實驗教學過程設計

實驗教學過程包括課前自主學習、鈣鈦礦光伏材料物性仿真模擬、鈣鈦礦太陽能電池的設計和制備、鈣鈦礦太陽能電池性能評價和實驗報告撰寫和提交（見圖1）。

圖1 實驗教學過程

本實驗教學設計了從自然科學到工程實踐再到測試表征、從理論到實踐再到分析、從集中到發(fā)散再到集中的教學路徑（見圖2）。利用仿真和可視化手段呈現(xiàn)鈣鈦礦光伏材料的物性和相關自然科學知識，切實提高學生學習效果，體現(xiàn)“創(chuàng)新性”。在鈣鈦礦成分、電池襯底、電池工藝、電荷傳輸層選擇上進行“發(fā)散”，考察學生設計和制備鈣鈦礦太陽能電池的能力，體現(xiàn)“挑戰(zhàn)度”。在完成電池制備后，學生對表征評價結果進行科學分析，優(yōu)化實驗方案并進行迭代，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的綜合能力和科學思維，體現(xiàn)“高階性”［16］。

圖2 實驗教學案例的邏輯路徑

2 實驗教學內容

2.1 實驗知識和原理學習，場景漫游

對鈣鈦礦太陽電池實驗室的基本著裝要求、常見安全標識、鋼制壓縮氣瓶的使用和手套箱基本使用方法進行了講解，并提供了B 站相關視頻鏈接作為學習內容的補充。通過監(jiān)測學生是否瀏覽相關內容和進行考核，評價學生對這部分內容的學習效果。軟件預先搭建了虛擬實驗室和設備儀器模型（手套箱、旋涂儀、熱蒸發(fā)設備、模擬光源、數(shù)字源表等）。正式進入實驗室場景后，學生可在場景中自由漫游學習，點擊設備儀器和藥品試劑，可查看詳細介紹說明，使學生獲得感性認識。

在正式開始實驗前，對半導體及其能級、光電轉換、太陽能電池光電性能基本參數(shù)和鈣鈦礦光伏材料與器件進行學習，內容包括文字、圖片、自錄視頻和B站視頻等。通過計算機模擬仿真，形象直觀地向學生呈現(xiàn)鈣鈦礦光伏材料的三維晶體結構、能帶和X 射線衍射數(shù)據(jù)（見圖3（a）～（c）），使他們掌握鈣鈦礦成分與物性的關系（見圖3（d）），為后續(xù)根據(jù)任務要求設計鈣鈦礦光活性層的組分奠定基礎。此外，還設計考核環(huán)節(jié)，幫助學生了解自己的學習情況并彌補缺漏。

圖3 鈣鈦礦光伏材料物性仿真模擬結果

2.2 設計鈣鈦礦太陽電池結構和光活性層成分，完成前驅體溶液配置

根據(jù)隨機給定的實驗任務目標（正置高效鈣鈦礦太陽能電池、倒置高效鈣鈦礦太陽能電池、正置疊層太陽能電池頂電池或倒置疊層太陽能電池頂電池）設計鈣鈦礦太陽能電池結構，選擇合理的襯底（透明導電電極和電荷傳輸層1）；根據(jù)高效太陽能電池和疊層太陽能電池頂電池對鈣鈦礦材料帶隙的不同要求，設計鈣鈦礦光活性層組分。在配置鈣鈦礦前驅體溶液的過程中（見圖4），重點考察用戶對溶劑影響鈣鈦礦成核與結晶的理解，兼顧天平稱量操作的考核。實驗記錄會自動記錄襯底、鈣鈦礦組分、使用的溶劑和用量等關鍵信息。

圖4 鈣鈦礦前驅體溶液配置的虛擬場景

2.3 鈣鈦礦光吸收層制備

本實驗步驟主要包含兩大目的：①使用戶掌握制備鈣鈦礦光活性層的關鍵工藝流程；②使用戶理解鈣鈦礦薄膜的結晶動力學及反溶劑對結晶過程的調控。除此之外，兼顧對旋涂儀、熱臺等設備操作的考核。用戶應首先對熱臺進行預熱后，再進行鈣鈦礦前驅體溶液的旋涂（見圖5），最后對樣品進行退火。在旋涂鈣鈦礦前驅體溶液過程中，用戶需要自主的在適當?shù)臅r機滴加反溶劑，從而調控鈣鈦礦薄膜的結晶，獲得高質量的薄膜。如用戶在旋涂鈣鈦礦前驅體溶液過程中，未滴加反溶劑，實驗流程仍能進行，但會對最終的器件性能產(chǎn)生影響。用戶對旋涂儀、熱臺等設備的操作自動生成得分，并體現(xiàn)在實驗得分中。

圖5 鈣鈦礦層旋涂的虛擬場景

2.4 電荷傳輸層2 制備和蒸鍍金電極

本實驗步驟主要考察用戶對鈣鈦礦光伏器件結構的理解和是否掌握常見半導體材料的半導體特性。在無系統(tǒng)提示的情況下，用戶應從3 種電荷傳輸材料中選擇合適的材料制備電荷傳輸層2。忽略該步驟或選擇錯誤的材料均不影響工藝流程的進行，但會對最終的器件性能產(chǎn)生影響。

在完成電荷傳輸層2 的制備后，用戶應先刮除一定區(qū)域的薄膜，使透明導電電極暴露，然后利用掩膜版完成金的熱蒸鍍，形成具有特定形狀和大小的金電極區(qū)域，最終完成鈣鈦礦太陽能電池的制備。此步驟也涉及鈣鈦礦光伏器件結構的考核。

2.5 測試評價、問題解析、實驗糾錯、電池迭代

用戶利用特定的夾具、數(shù)字源表和模擬光源對電池的光電轉換性能（短路電流、開路電壓、填充因子、能量轉換效率）進行表征和評價（見圖6（a）），重點考察用戶對制備器件的性能是否滿足任務目標的判斷，并兼顧考核光照掩膜版、夾具和模擬光源的使用。

圖6 鈣鈦礦太陽能電池測試評價（a）和問題解析（b）的虛擬場景

如用戶判斷制備的鈣鈦礦太陽能電池性能未達到任務目標要求，可選擇繼續(xù)實驗，并根據(jù)其他的測試表征結果（鈣鈦礦薄膜外觀、微觀形貌、XRD圖譜、紫外-可見吸收光譜等）（見圖6（b）），解析原因，返回到相關步驟完成實驗糾錯和電池迭代。這部分內容強調用戶應充分理解鈣鈦礦材料的物性和器件性能與工藝流程的關系，應具備較高的分析問題和解決問題的能力，體現(xiàn)了本實驗教學的高階性和挑戰(zhàn)度。用戶有且僅有一次機會完成實驗糾錯和電池迭代。

2.6 完成實驗報告

實驗報告分為實驗報告基本信息、學生實驗報告、實驗報告評價。實驗報告基本信息包含本次實驗學生的相關信息；學生實驗報告是系統(tǒng)根據(jù)學生的操作過程提取的關鍵過程與參數(shù)、實驗結果、考核答題結果等數(shù)據(jù)，其中還要求學生規(guī)范填寫實驗總結、實驗數(shù)據(jù)處理等內容；實驗評價是軟件對學生實驗過程中的操作、答題、參數(shù)設定等過程客觀評分，生成詳細的得分、總成績和評語。

3 結 語

本實驗教學聚焦鈣鈦礦光伏材料及器件，基于教學團隊對鈣鈦礦太陽能電池研究的系列原創(chuàng)性成果和數(shù)據(jù)積累，通過對鈣鈦礦材料物性的仿真計算及在虛擬場景下對鈣鈦礦太陽能電池制備和性能表征的模擬，直觀、生動呈現(xiàn)鈣鈦礦組分與晶體結構、能帶的關系和器件制備過程，解決了傳統(tǒng)教學理論不深、實操難以開展的痛點。更可使學生接觸前沿研究用大型精密設備，掌握鈣鈦礦光伏材料的構效關系和相關器件的設計與評價。

本實驗教學包括鈣鈦礦光伏材料物性仿真計算和虛擬場景下鈣鈦礦太陽能電池的制備與評價過程，采用從自然科學到工程實踐再到測試表征、從理論到實踐再到分析、從集中到發(fā)散再到集中的教學路徑，提升用戶自主設計和分析問題的能力，是“高階性”和“先進性”顯著的、具有較高“挑戰(zhàn)度”的教學案例。

本實驗教學以“科教產(chǎn)”融合為特色，利用科研最新成果不斷完善豐富相關模塊和數(shù)據(jù)庫，服務常州大學材料類人才培養(yǎng)，輻射各大光伏企業(yè)和科研院所。目前，本實驗課程除了應用于高校人才培養(yǎng)外，還向常州亞瑪頓股份有限公司和常州妤奇新能源技術有限公司開放共享，用于鈣鈦礦技術人員的培訓，促進了光伏企業(yè)的“降本增效”。2022 年，本實驗教學案例被評為江蘇省研究生優(yōu)質教學資源。