《太阳能电池材料》课程教学大纲

《太阳能电池材料》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101145223202课程名称（中/英文）：太阳能电池材料/SolarCellMaterials课程类别：专业方向特色课程学分：3总学时：48理论学时：36实验学时：12适用专业：材料物理适用对象：本科先修课程：半导体物理与器件，材料研究与测试方法，固体物理，材料物理教学环境：多媒体教室/实验室开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介1.课程任务与目的《太阳能电池材料》讲述了太阳电池的结构与光电转换原理、太阳能电池材料的种类、性能特点和制备技术、薄膜太阳能电池的应用以及聚合物太阳能电池及其面临的主要挑战等内容。通过本课程的学习，使学生掌握主要太阳能电池材料的制备技术与性能特点及其工程应用，建立理论联系实际的思维方法。在学习半导体物理基础知识时，介绍最近的中美贸易战，传达“核心技术是国之重器”，激发学生夯实专业基础，培养学生的爱国主义精神、工匠精神、探索精神；在学习硅太阳能电池的制造过程时，介绍中国企业通过不断的技术创新和努力，逐渐在全球硅太阳能电池市场中占据重要地位，培养学生的民族自豪感和科技报国的情怀；在学习化合物半导体太阳能电池的研究进展时，介绍科研工作者在面对技术难题时坚持不懈、勇于探索，克服了材料制备、器件工艺等方面的诸多困难，才有了现在的科研成果，鼓励学生在学习和研究中要有不怕困难、持之以恒的精神；在学习有机太阳能电池材料时，介绍其来源丰富且成本较低，有助于减少对传统能源的依赖，推动能源的可持续利用，培养学生的环保意识和对社会可持续发展的责任感；在学习染料敏化太阳能电池材料时，介绍染料敏化太阳能电池是科学家们经过长期观察和研究，深入理解光合作用的机制，并将其原理应用于太阳能电池中研制而成的，培养学生对自然的探索精神和创新思维。2.对接培养的岗位能力要求学生熟悉太阳能电池制造工艺流程及工作原理，具有一定的光伏材料研发、生产及检测能力，能够从事硅片、电池片、组件等光伏相关的技术工作；在面对实际生产和应用中的问题时，具备创新意识与创新能力，能够运用所学知识和经验，提出创新性的解决方案。三、课程教学目标1.课程对毕业要求的支撑[毕业要求指标点2.4]能运用材料物理基本原理，借助文献研究，并从可持续发展的角度分析材料制备与加工过程的影响因素和质量控制指标，获得有效结论。[毕业要求指标点4.4]能够选择使用信息技术工具软件，对新能源材料领域的复杂工程问题中的数据进行整理，对试验结果进行关联、分析和解释，并通过信息综合手段获得合理有效结论。[毕业要求指标点7.2]能够站在环境和社会可持续发展的角度思考新能源材料制备与加工等领域工程实践的可持续性，对太阳能电池和锂离子电池的性能进行分析，并评价产品周期中可能对人类和环境造成的损害和隐患。[毕业要求指标点10.2]了解太阳能光伏和锂离子电池等新能源材料领域的国际发展趋势、研究热点，理解和尊重世界不同语言、文化的差异性和多元化。2.课程教学目标对应毕业要求指标点，具体内容如下教学目标1：掌握太阳能电池用硅材料、化合物薄膜半导体、有机太阳能电池材料和染料敏化电池材料的特点、基本性质、制备原理及制备工艺流程。能够应用太阳能材料专业知识的基本原理，对太阳能材料制备与加工进行识别、表达和分析，以获得有效结论。(支撑毕业要求指标点2.4)教学目标2：培养学生选择、应用太阳能电池材料的能力，具备材料研发设计和改性能力，能够设计针对光伏工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统或工艺流程，了解国际研究热点、发展趋势。为学生从事太阳能电池相关的工作奠定坚实的基础。(支撑毕业要求指标点10.2)教学目标3：根据掌握的太阳能电池材料的测试实验方法及相关的基本原理，能够针对光伏工程领域的复杂工程问题设计实验，并对实验数据进行采集、处理和解释，得到合理有效结论。(支撑毕业要求指标点4.4)教学目标4：了解全球环境和可持续发展面临的问题，理解环境保护和可持续发展与光伏工程实践的关系。培养学生具有良好的工程职业道德及责任心。(支撑毕业要求指标点7.2)四、教学课时安排（一）学时分配主题或知识点教学内容总学时学时完成课程教学目标讲课实验实践主题或知识点1太阳能电池物理基础168801,4主题或知识点2硅基太阳能电池材料及制备技术1410401,2,3,4主题或知识点3化合物半导体太阳能电池材料及制备技术88001,2,3,4主题或知识点4有机太阳能电池材料及其应用66001,3,4主题或知识点5染料敏化太阳能电池材料及其应用44001,3,4合计4836120（二）实践教学安排序号实验/实践项目名称实验/实践学时实验/实类型实验/实要求每组人数备注1太阳能电池性能测试4综合性必做4-52太阳能电池负载实验4综合性必做4-53太阳能控制器工作原理实验4综合性必做4-5五、教学内容及教学设计主题1太阳能电池物理基础1.教学内容（1）半导体物理基础：半导体的能带结构；杂质与缺陷种类及其对半导体的影响；平衡态载流子和非平衡载流子；载流子输运过程；p-n结的制备及原理；金属-半导体接触和MIS结构的能带结构。（2）太阳能电池基础：半导体光吸收的物理过程；光生伏特效应；太阳能电池的电流-电压特性。（3）太阳能电池性能参数：太阳能电池性能参数测试条件与测试系统；太阳能电池I-V曲线的基本特征；入射光子-电流转换效率IPCE的基本概念及测试。（4）太阳能电池材料的分类：主要包括晶硅电池、半导体化合物电池、有机光伏电池等的基本结构。2.教学重点半导体物理基础；半导体光吸收和光生伏特效应；载流子输运；p-n结的原理；太阳能电池I-V曲线的基本特征。3.教学难点半导体的能带结构；金属-半导体接触和MIS结构的能带结构；入射光子-电流转换效率IPCE。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。引入科学家事迹和小故事，培养学生吃苦耐劳、精益求精及创新的工匠精神。主题2硅基太阳能电池材料及制备技术1.教学内容（1）单晶硅太阳能电池材料与制备技术：硅的基本性质及其应用；太阳能电池用单晶硅材料及其制备；单晶硅材料中的杂质与缺陷。（2）多晶硅太阳能电池材料与制备技术：铸造多晶硅、带硅材料、多晶硅薄膜及其制备；多晶硅材料中的杂质与缺陷。（3）非晶硅薄膜太阳能电池材料与制备技术：非晶硅薄膜的基本性质和制备方法；非晶硅薄膜中的氢及光致衰退现象；非晶硅薄膜的合金化和晶化。（4）硅基材料的光伏应用：晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池研究进展。2.教学重点太阳能电池用单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料的制备技术；单晶硅和多晶硅材料中的杂质与缺陷；非晶硅薄膜的光致衰退现象。3.教学难点单晶硅和多晶硅材料中的杂质与缺陷；非晶硅薄膜的光致衰退现象。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。将环境保护、绿色发展理念融入硅基太阳能电池的应用中，培养学生环境保护的责任感和节能意识。主题3化合物半导体太阳能电池材料及制备技术1.教学内容（1）化合物半导体太阳能电池材料概述。（2）GaAs太阳能电池材料及其制备：GaAs材料的基本性质和制备方法；GaAs材料中的杂质和缺陷；GaAs太阳能电池的结构、性质及发展状况。（3）CdTe太阳能电池材料及其制备：CdTe材料的基本性质和制备方法；CdTe太阳能电池结构、性质及发展状况。（4）CIS及CIGS系太阳能电池材料及其制备：CIS（CIGS）材料的基本性质；CIS及CIGS系太阳能电池结构、性质及发展状况。2.教学重点GaAs、CdTe、CIS及CIGS系太阳能电池材料的基本性质和制备方法。3.教学难点GaAs材料中的杂质和缺陷。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。通过分析“神舟”系列使用的GaAs太阳能电池，强化学生的爱国精神和民族自豪感。以薄膜太阳能电池的应用为例，强调可持续发展和绿色环保的重要性。主题4有机太阳能电池材料及其应用1.教学内容（1）有机太阳能电池材料概述：有机太阳能电池材料及器件的研究背景和研究进展。（2）有机半导体材料物理基础及太阳能电池原理：有机半导体材料物理基础；有机太阳能电池工作原理及内部的电荷转移过程。（3）有机太阳能电池材料与器件：常用的有机太阳能电池材料；有机太阳能电池的结构。（4）有机太阳能电池制备工艺：有机太阳能电池制备工艺流程及制备系统。2.教学重点有机太阳能电池工作原理及内部的电荷转移过程；有机太阳能电池制备工艺。3.教学难点有机太阳能电池工作原理及内部的电荷转移过程。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。通过新型有机太阳能电池材料的学习，让学生体会科技创新的思路与方法，培养学生科技创新的能力。主题5染料敏化太阳能电池材料及其应用1.教学内容（1）染料敏化太阳能电池：染料敏化太阳能电池结构与工作原理。（2）光阳极材料：光阳极材料概述；Ti02及其他氧化物半导体材料。（3）染料：染料概述；金属络合物、卟啉和酞菁、有机染料的基本性质和作用原理；染料分子在半导体表面的吸附。（4）其他材料：对电极和电解质的性质及现状。2.教学重点染料敏化太阳能电池的结构与工作原理；半导体光阳极；有机染料的作用原理。3.教学难点染料敏化太阳能电池的工作原理；有机染料的作用原理。4.教学方案设计（含教学方法、教学手段）主要是讲授法，通过板书和多媒体结合的方式，以展示图片、引用数据等手段配合视频讲授教材内容。采用提问、讨论的形式进行互动，促进学生对知识点的掌握。对比染料敏化太阳能电池与传统太阳能电池的机理差别提供创新的思路与方法，培养学生科技创新的能力。通过柔性电池的应用实例，增加学生对学习科学知识的兴趣与动力。六、学生成绩评定1.课程考核方式及比例本课程为专业方向特色课程，课程考核采用平时考核和期末考试相结合的方式进行。平时考核主要包括考勤、作业、课堂表现、阶段测验和实验，其中课堂表现包括听课情况、发言情况、合作学习情况等。期末考试采用闭卷笔试形式。本课程总评成绩中，按平时成绩占50％，期末考试50％记入课程的总成绩，具体评定方式见成绩评定表。学生成绩评定表考核方式平时成绩期中考试期末考试出勤作业课堂表现阶段测验答辩项目小论文实验√√√√√成绩比例%1010101010502.课程考核方式评价权重本课程教学目标与考核方式评价权重如表所示：课程教学目标支撑毕业要求指标点考核评价方式权重（%）过程性考核实验期末考试合计出勤及课堂作业及阶段教学目标1指标点2.457512~2329~40教学目标2指标点10.236310~2122~33教学目标3指标点4.4658~1919~30教学目标4指标点7.26229~2019~30合计202010501003.课程成绩评价标准平时成绩评定及考核标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~90分）中等（70~80分）及格（60~70分）不及格（<60分）出勤及课堂表现（20%）无迟到、早退、旷课情况。积极参与课堂讨论，并能发表自己的独特见解，能够准确回答问题，并有自己独到的见解。偶尔有迟到、早退情况。较为积极参与课堂讨论，并能准确回答问题，有自己的见解。有迟到、早退情况。能够主动参与课堂讨论，能够回答问题。有迟到、早退、偶尔有旷课情况。参与课堂讨论，能够回答问题。迟到、早退、旷课情况较多。不能有效参与课堂讨论，回答不出所有问题。作业（10%）能够独立完成作业，作业质量优秀，能够灵活运用所学理论知识解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，作业质量较高，能够运用所学理论知识解决问题，并获得正确结论。能够独立完成作业，作业质量符合要求，能够运用所学理论知识解决问题，并获得有效结论。基本能够独立完成作业，部分题目解答过程存在抄袭现象，运用所学理论知识解决问题的能力基本符合要求。不能独立完成作业，作业质量较差，有明显抄袭现象，不具备运用所学理论知识解决问题的能力。阶段测验（10%）完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为优秀。完成所有阶段测验，根据参考答案评定分，总评成绩为良好。完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为中等。完成所有阶段测验，根据参考答案评分，总评成绩为及格。没有完成阶段测试，根据参考答案评分，总评成绩不及格。实验（10%）实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表规范。能够正确完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行深入的讨论，提出自己的见解。实验报告能够独立完成，内容完整，数据合理，数据处理正确，图表基本规范。能够完成实验报告中提出的问题，并对实验中遇到的问题进行讨论，提出意见。实验报告能够完成，内容完整，数据基本合理，能够进行数据处理，图表基本规范。能够基本完成实验报告中提出的问题，对实验中遇到的问题进行讨论。实验报告基本能够独立完成，内容完整，数据图表齐全，基本完成实验报告中提出的问题。实验报告不能独立完成，存在抄袭现象，报告中提出的问题没有或基本没有回答。课程教学目标评价标准考核环节考核结果及标准评估项目及权重优秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教学目标1熟练掌握半导体材料本征吸收限的基本概念，能够运用本征吸收限分析太阳能电池活性层的工作机理。根据光伏器件在光照和暗态下的I-V曲线，能够熟练确定器件的性能参数，综合分析材料光电特性与器件效率之间的关系，得出影响光伏电池质量的主要控制因素。准确掌握半导体材料本征吸收限的基本概念，并能运用本征吸收限分析太阳能电池活性层的工作机理。根据光伏器件在光照和暗态下的I-V曲线，能够准确确定器件的性能参数，能够分析材料光电特性与器件效率之间的关系，得出影响光伏电池质量的主要控制因素。掌握半导体材料本征吸收限的基本概念，并能分析太阳能电池活性层的工作机理。根据光伏器件在光照和暗态下的I-V曲线，基本能够确定器件的性能参数，分析材料光电特性与器件效率之间的关系，得出影响光伏电池质量的主要控制因素。基本掌握半导体材料本征吸收限的基本概念，并能分析太阳能电池活性层的工作机理。根据光伏器件在光照和暗态下的I-V曲线，基本能够确定器件的性能参数，并能分析材料光电特性与器件效率之间的关系，基本能够得出影响光伏电池质量的主要控制因素。不能掌握半导体材料本征吸收限的基本概念，无法分析太阳能电池活性层的工作机理。根据光伏器件在光照和暗态下的I-V曲线，无法确定器件的性能参数。教学目标2熟练掌握光伏产业中几种硅基太阳能电池的效率、成本、制备以及应用现状。熟练掌握晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池的研究与进展。准确掌握光伏产业中几种硅基太阳能电池的效率、成本、制备以及应用现状。准确掌握晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池的研究与进展。掌握光伏产业中几种硅基太阳能电池的效率、成本、制备方法。掌握晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池的研究与进展。基本掌握光伏产业中几种硅基太阳能电池的效率、成本、制备方法。基本掌握晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池的研究与进展。不能掌握光伏产业中几种硅基太阳能电池的效率、成本、制备方法。不能掌握晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池的研究与进展。教学目标3熟练掌握GaAs材料的基本性质和制备方法、材料中的杂质和缺陷，相应光伏电池的结构、性质及发展状况；熟练掌握CIS及CIGS系太阳能电池材料及其制备，相应的太阳能电池结构、性质及发展方向。准确掌握GaAs材料的基本性质和制备方法、材料中的杂质和缺陷，相应光伏电池的结构、性质及发展状况；准确掌握CIS及CIGS系太阳能电池材料及其制备，相应的太阳能电池结构、性质及发展方向。掌握GaAs材料的基本性质和制备方法、材料中的杂质和缺陷，相应光伏电池的结构、性质及发展状况；掌握CIS及CIGS系太阳能电池材料及其制备，相应的太阳能电池结构、性质及发展方向。基本掌握GaAs材料的基本性质和制备方法、材料中的杂质和缺陷，相应光伏电池的结构、性质及发展状况。基本掌握CIS及CIGS系太阳能电池材料及其制备，相应的太阳能电池结构、性质及发展方向。不能掌握GaAs材料的基本性质和制备方法、材料中的杂质和缺陷。不能掌握CIS及CIGS系太阳能电池材料及其制备。教学目标4熟练掌握有机太阳能电池