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能源化工专业《太阳能光伏电池基础》教学内容体系构建
2019-10-28 浏览量:29

(桂林理工大学 化学与生物工程学院,广西 桂林 541004)

 

摘要:根据目前光伏电池领域的知识类别和能源化工专业学生的理论基础条件,确定课程知识框架。通过对教学参考书的整理研究,结合现今太阳能光伏产业的发展和技术革新状况,建构适合能源化工专业学生学习的内容体系,并对具体教学内容进行选编,使学生掌握基本的太阳电池相关知识。

关键词:太阳能光伏电池基础;教学内容;内容选编;大众文艺

中图分类号:G642  文献标识码:A

 

在能源危机和环境危机的形势下,太阳能以其取之不尽、用之不竭,分布广泛,不受地域和季节限制的特点成为最有前景的可再生能源。从长远看,随着技术的进步,以及其他能源利用形式的逐渐饱和,太阳能光伏发电将会占据世界能源消费的重要席位,逐渐成为世界能源供应的主体。光伏产业是半导体技术与新能源需求相结合产生的新兴产业,也是当前国际能源竞争的重要领域。我校能源化工专业为适应能源行业的需要,培养全面的能源领域人才开设了《太阳能光伏电池基础》这门课程。并且,在我国光伏产业蓬勃发展的大环境下,相关课程的重要性也在提升,这门课已经从原来的选修课程转为必修课程,为拓宽学生的专业视野,扩展学生的就业范围产生了积极的作用。

笔者在这几年的教学中发现,太阳能光伏电池相关的书籍虽然很多,但适合作为化工类学生学习太阳电池相关知识的理想教材很少。现有出版的太阳电池相关的书籍主要分为几大类:1.侧重于物理理论内容;2.侧重光伏材料介绍;3.侧重太阳电池生产技术介绍;4.侧重应用设计;5.侧重太阳电池发电系统设计。有些书籍内容全面,会涵盖以上几点或者全部的内容[2-7]。对于课程内容的选择,我们的原则是要有比较完整的理论知识体系,同时也要介绍电池的材料、结构和生产技术。并且,考虑到能源化工专业的学生物理基础比较薄弱,并且课程的课时较短,因此理论部分既要求比较完整,也要考虑深度的把握,不使学生过于吃力。实际生产方面的内容既要介绍现有比较成熟的工艺技术,也要考虑前沿技术的介绍。综合上述,我们选择相关物理理论、光伏材料、电池结构和生产技术这三方面作为课程的主体内容,在应用设计和发电系统设计方面不做介绍,这样将整门课程分为五大部分:

.太阳能应用的意义及太阳光基础知识

课程首先介绍太阳能应用的背景知识,提高学生的学习兴趣。而且,太阳电池是将光能转换为电能的器件,要让学生了解太阳电池的工作情况,首先也应对太阳光有一定了解。这部分主要介绍关于阳光的基础知识,包括太阳光谱的组成,各部分光区在太阳光谱中所占能量的比重,光强的表示方法,到达地球的阳光光强受到什么因素影响。同时,本门课程是立足于我国国内光伏产业的发展,因此也介绍我国各地区太阳能资源分布状况。

对于太阳光的基础知识,杨德仁所编《太阳电池材料》的第一章,太阳能和光电转换,这部分的内容对各个知识点都有介绍,且深度适宜,因此主要参考本书进行教学。但此书没有我国太阳能资源分布的内容,因而这个部分主要参考熊绍珍、朱美芳所编的《太阳能电池基础与应用》一书。对于我国光伏产业发展的部分,由于各参考书出版的时间较早,与现今的发展状况不符,因此主要通过网络搜集最新的讯息。

. 光伏原理基础

太阳电池的核心部分主要是半导体,要理解太阳电池的工作原理、其性能和半导体材料的关系需要对半导体的定义,其物理特性有基本了解。这部分是整门课程理论部分的重点,多数关于太阳能电池的书籍都有这方面的内容。我们教学中主要参考《太阳能电池基础与应用》和《太阳电池材料》两书,主要讲述半导体的能带结构、与导体和绝缘体的区别;本征半导体和本征激发;杂质半导体—n型和p型;平衡和非平衡载流子、半导体的两种导电机制;pn结的形成、pn结的制备、pn结的伏特特性;太阳能电池的工作原理这些知识点。

在《太阳能电池基础与应用》和《太阳电池材料》两书中,对于载流子浓度等的计算有详尽的公式推导,而由于前述本门课程面对的教学对象及课时的关系,本课程只做原理和概念性介绍,不会讲解复杂的公式演算。

. 电池性能测试、极限及损失分析

对太阳电池性能优劣的评价在于其将光能转为电能的效率,效率由电池工作时的电流、电压等性能参数决定。在上述的两本参考书中,都把电池性能参数的介绍和测试方法条件分在不同的章节。鉴于这些内容有相关性,并且出于对教学效率的考量,本门课程将有关性能介绍、测试、计算、分析的部分都整合在一起。介绍开路电压、短路电流、填充因子和光电转换效率的定义和它们相互转换计算的基本公式,略过对短路电流、开路电压、填充因子理论数值的复杂演算过程。除此之外,还讲授性能测试的方法和条件、测试所用设备、数据处理,同时介绍电池性能的影响因素,性能的极限及损失分析。

四.太阳电池的材料、结构和制备

《太阳电池材料》一书将电池结构及电池制备与电池材料特性及材料制备分开为单独的两章进行讲述。《太阳能电池基础与应用》则将同一材料的电池的材料特性、电池结构及制备放到一起介绍。大多数其他的书籍基本按照这两种情况安排内容。这部分内容,笔者认为将同一材料的电池的材料特性、电池结构及制备放到一起介绍的安排更有效率。首先介绍晶体硅(包括单晶和多晶)材料的制备、材料特性及电池结构、电池各部分的作用和电池生产技术和工艺。对于无机薄膜电池,由于课时的原因,只选取CdTeCuInGaSe2作为代表介绍电池结构、薄膜制备技术和生产流程。这部分的重点是让学生掌握目前商业化程度较高,工艺比较成熟的太阳电池的特点及主要的生产技术,对于材料的物性和优缺点只做大概介绍,因此主要参考《太阳能电池基础与应用》。同时,薄膜电池也只主要介绍单结电池,多节电池只稍微提及。

近期有机薄膜电池的发展非常迅速,效率已经超过10%,并且有机薄膜电池具有材料丰富、生产流程简单、成本低等优点,因此具有非常大的商业潜力。而在上述的两本书籍中,均无对有机电池的介绍。顺应科研和生产的发展现状,本课程增加有机电池的内容,选取代表性的有机材料讲述有机电池的工作原理、电池结构和生产流程。

.将来太阳电池的发展方向

介绍晶体硅电池在改进电池结构和制备技术上方面的新突破,化合物和有机电池在新材料研发上的新进展以及最近出现的新概念电池,让学生对目前电池的发展方向有一定的了解。这部分内容涉及最新的研究成果,主要从网络和文献调研。

通过整门课程的学习,使得学生能够大致明了太阳能产业的发展状况,从产业到应用的地区分布,对环境、社会可持续发展的影响;构建起比较完整的太阳电池理论和工艺的知识结构,具备从事太阳电池生产和基础研发的基本素质。

能源化工专业的学生初步接触和学习太阳电池的相关知识,需要考虑他们已有的知识基础,同时兼顾相关理论的完整性和生产实际内容的实用性。而现有出版的书籍不完全适合本课程的教学,笔者从架构的课程内容体系出发,从使用的教学参考书中选编了对应的内容,力求在学生的能力范围内较全面和具体的介绍太阳能电池从理论到实际生产的知识,选编的教学内容对能源化工或者其他非物理专业开设《太阳能电池基础》这门课程的教学有一定的参考价值。在后续的教学中也将根据新的要求和太阳电池发展的动向对内容进行不断完善和更新,为培养全面的、与时俱进的能源领域人才服务。

 

参考文献

[1]杨德仁,太阳电池材料,化学工业出版社北京2007。

[2] 熊绍珍,朱美芳,太阳能电池基础与应用, 科学出版社, 北京,2009。

[3] 沈辉,曾祖勤, 太阳能发电技术,化学工业出版社,北京,2005。

[4] (澳)马丁.格林著,李秀文等译,太阳电池工作原理、工艺和系统的应用,电子工业出版社,北京,1987。

[5] 李伟,太阳能电池材料及其应用 电子科技大学出版社,成都,2014。

[6] (美)胡晨明, R.M.R怀特著,李采华译,太阳电池,北京大学出版社,北京,1990。

文稿来源:教育教学论坛编辑部 网址:www.jyjxlt.com 


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