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      太陽電池制備平臺虛擬仿真實驗教學資源

      在學習了光伏材料和半導體器件制備工藝等相關知識的基礎上,開設了“太陽電池制備”虛擬仿真實驗模塊。該模塊包括 晶硅太陽電池制備、薄膜太陽電池制備和電池特性測試等虛擬仿真實驗課程。通過本模塊課程的學習,學生可以了解常見半導體材料太陽電池的制造流程、電池參數 的測量方法,掌握其原理和測試方法。為學生以后在相應領域工作或研究奠定下良好的理論和實踐基礎。

      所屬平臺

      實驗課程名稱

      實驗項目數

      課程編號

      太陽電池制備

      晶體硅太陽能電池制造實驗

      7

      132010

      多晶硅太陽能電池制造實驗

      7

      132011

      CIGS薄膜太陽能電池制備試驗

      7

      132012

      硅基薄膜太陽能電池制備實驗

      5

      132013

      太陽電池性能表征及特性測試實驗

      5

      132037

      太陽電池制備綜合實訓

      1

      132071

       

      典型實驗課程一:硅基薄膜太陽電池制備實驗

      【課程概況】

      硅基薄膜太陽電池是當前薄膜太陽電池領域的主流,了解其制作工藝流程和工作機理對培養太陽電池行業的人才來說必不可少。硅基薄膜太陽電池的制作流程 繁復、對環境要求高、設備投入巨大,且要用到具有高危險性的硅烷和磷烷等化學氣體,企業超凈環境不便學生到薄膜電池制造企業進行深入實習。為解決這一問 題,中心和天威薄膜光伏有限公司合作研發了“硅基薄膜太陽電池制備虛擬仿真實驗系統”,作為相關專業教學與科研平臺,用于培養高層次的薄膜太陽電池研發人才。

      《硅基薄膜太陽電池制備虛擬仿真實驗》是一門綜合型的虛擬仿真實驗課程。本課程是在修讀固體物理、半導體物理、半導體器件工藝基礎和半導體器件原理 等課程基礎上,綜合運用所學知識,在虛擬環境下進行硅基薄膜太陽電池的制作和性能測量。學生通過獨立完成電池制作的各個步驟,了解硅基薄膜太陽電池的基本 制作方法。旨在培養學生使用設備、了解流程、熟悉開發的全部過程。

      【課程特色】

      硅基薄膜太陽電池制備實驗采用開放網絡環境,具有如下一些特點。

      虛實互補:本虛擬仿真實驗將PECVD設備進行了1:1的完全復現,且虛擬實驗流程與實際的操作流程完全相同,通過虛擬實驗學生就可以了解實際實驗的過程及特點。充分利用了虛擬仿真實驗和實際PECVD設備實操實驗的互補性,發揮兩種實驗模式的優點,做到了“仿真”與“實操”有機結合,取得了良好的效果。

      開放性:利用開放網絡環境,使學生在寢室、教室和實驗室等地均能登陸服務器進行仿真實驗。

      共享性:硅基薄膜太陽電池制備虛擬仿真實驗課程不僅可以用于學校內本科生和研究生的教學和科研,還可以用于合作企業(如英利新能源公司,天威薄膜光伏有限公司等)員工的培訓,成為多方共享的實驗平臺。

      原創性:本實驗課程中的虛擬仿真實驗項目均為我校具有自主知識產權的產品。

      先進性:通過產學研相結合的開發方式與學科前沿緊密結合,保證實驗教學資源的先進性。

      微觀呈現:將利用PECVD系統沉積硅薄膜的微觀過程進行了呈現,使學生可以對薄膜沉積的物理機理有深刻了解。

      【面向對象】

      本校電子科學與技術、新能源材料與器件、物理學、應用物理學、光電信息科學與工程和電子信息科學與技術等專業的本科生和研究生。

      英利新能源公司和天威薄膜光伏有限公司等企業的員工。

      【教學效果】

      通過本虛擬仿真實驗課程的學習,學生能較全面和系統地了解和掌握等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)系統的基本結構和操作流程、磁控濺射系統和 太陽模擬器等設備的基本原理和使用方法,掌握硅基薄膜太陽電池的基本工作原理和測試方法,為學生以后在相應領域工作或研究奠定下良好的基礎。

      【實驗項目】

      硅基薄膜太陽電池制備虛擬仿真實驗項目

      序號

      典型實驗項目

      實驗要求

      實驗類型

      學時

      1

      玻璃襯底清洗

      必修

      驗證型

      3

      2

      濺射TCO膜

      必修

      驗證型

      3

      3

      電池有緣層沉積

      必修

      綜合型

      3

      4

      濺射ZnO層

      必修

      驗證型

      3

      5

      沉積金屬Al膜

      必修

      驗證型

      3

       

      典型實驗項目《電池有源層的沉積》

      【實驗目的】

      (1)掌握PECVD系統的基本工作原理和使用方法。

      (2)了解硅基薄膜太陽電池的基本結構。

      (3)了解影響硅基薄膜太陽電池性能的一些因素。

      【實驗工具】

      合作研發的“硅基薄膜太陽電池制備虛擬仿真實驗系統”。

      【主要實驗步驟】

      PECVD系統仿真設備如圖所示。

      PECVD系統設備仿真圖

      (1)裝片

      實驗步驟為,打開p腔室“充氣閥”,腔體充至大氣壓,然后關閉“充氣閥”,將襯底片掛至托盤上,將托盤放在樣品架(陰極)上,關閉腔體,擰緊上下兩螺栓。虛擬仿真實驗裝片主要步驟如圖所示。

      裝片過程仿真實驗

      (2)抽真空

      打開三個腔室的機械泵,打開預抽閥。當電阻單元壓強≤2Pa時,關閉預抽閥。打開前級閥,打開分子泵,打開插板閥。打開對應氣路閥門及相應流量計,進行氣路抽空。

      待壓強降至約1×10-4Pa時,打開氣瓶減壓器,抽氣瓶減壓器。至壓強再次降至約1×10-4Pa時,關閉實驗氣路閥門以及流量計。如圖所示。

      抽真空過程仿真截圖

      (3)沉積p層

      打開H2瓶和流量計,調至所需流量。緩慢打開SiH4瓶閥門,打開SiH4流量計,調至所需流量。緩慢打開B2H6瓶閥門,打開B2H6流量計,調至所需流量,仿真操作過程如圖(a)及圖(b)所示。

      緩慢調節p室插板閥,至所需壓強。打開p室的功率輸入,使氣體起輝,開始計時,在玻璃襯底上沉積p層(約20納米)。沉積時間到后,將輸入功率降為零。薄膜沉積過程及原理仿真結果如圖(c)及圖(d)所示。

      沉積過程仿真實驗

      電池有源層的沉積實驗測試曲線結果見圖所示。i層和n層的沉積過程與p層類似。

      硅薄膜沉積原理及沉積測試結果

      (4)沉積i層

      將p室的真空度抽至約1×10-4Pa后,打開p室和i室的擋板閥,用小車將襯底托盤運至i室中,關閉擋板閥。將H2和SiH4通入i室中,在p層上沉積i層(約500納米)。

      (5)沉積n層

      將i室的真空度抽至約1×10-4Pa后,打開n室和i室的擋板閥,用小車將襯底托盤運至n室中,關閉擋板閥。打開PH3瓶和流量計,并調至所需流量。將H2、SiH4和PH3通入n室中,在i層上沉積n層(約20納米)。

      (6)關閉

      關閉順序為H2、SiH4和PH3的氣瓶和氣路,將n室中殘余氣體抽凈,將n室充氣到大氣壓,取出沉積了p、i、n層的玻璃襯底。

      典型實驗課程二:太陽電池性能表征及特性測試實驗

      【課程簡介】

      在太陽電池的研究、生產和應用中,需要對太陽電池性能及可靠性進行測試。評定太陽電池性能的主要參數包括開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因 子和轉換效率。通過采集太陽電池的I-V特性測量數據,擬合I-V特性曲線來提取五個模型參數。學生在虛擬仿真實驗平臺“太陽電池特性測試系統”可以完成 太陽電池多種特性參數的測量,加深對太陽電池性能表征的認識。

      【面向對象】

      本校電子科學與技術、光電信息科學與工程、應用物理學、物理學、電子信息科學與技術和新能源材料與器件等專業的本科生和研究生。

      【教學效果】

      通過實驗,學生可以加深對PN結、太陽電池結構、光伏技術、伏安特性、填充因子等專業知識點的理解;掌握PN結形成原理及其單向導電性等工作機理;掌握硅光電池的工作原理及其基本特性參數的測試方法。

      【實驗項目】

      太陽電池性能表征及特性測試虛擬仿真實驗項目

      序號

      典型實驗項目

      實驗要求

      實驗類型

      學時

      1

      外延層表征——金相顯微鏡的原理及應用

      必修

      驗證型

      4

      2

      材料的反射比、透射比、光譜發射比測試

      必修

      驗證型

      4

      3

      太陽電池特性參數測量

      必修

      驗證型

      6

      4

      薄膜太陽電池的性能表征

      必修

      綜合型

      6

      5

      光電系列傳感器特性測試

      必修

      綜合型

      4

       

      典型實驗項目《太陽電池特性參數測量》

      【實驗目的】

      (1)了解全暗情況下硅光電池的伏安特性測量;

      (2)太陽電池的負載特性;

      (3)硅光電池零偏和負偏時光電流I與輸入光功率Pin間關系測定;

      (4)硅光電池頻率響應的測定;

      (5)太陽電池溫度特性的測量。

      【實驗工具】

      自主開發的“太陽電池性能表征及特性測試仿真實驗系統”。

      【仿真實驗圖】

      仿真實驗內容見圖所示。

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