wxAMPS仿真软件在应用型本科“薄膜太阳能电池”课程中的应用

杨希峰　况亚伟　张德宝　刘玉申　钱斌

摘要：“薄膜太阳能电池”是我校新能源科学与工程专业重要的专业课程之一，具有知识结构复合度高、知识点更新迅速、实践性与应用性强等特点。传统的教学模式偏重公式推导，学生普遍感觉比较抽象，理解难度较大。为了体现应用型本科高校的特点，培养具有持续学习能力的专业型人才，教研组引入基于wxAMPS仿真软件的教学方法，介绍了该软件的特点和优势，并通过设置一个综合工程案例展示了该教学方法在本课程中的应用，增强了学生对电池优化设计的理解和应用能力，达到提高教学质量，适应应用型人才培养的需要。

关键词：薄膜太阳能电池；wxAMPS；应用型本科

中图分类号：G426 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）44-0146-03

一、引言

近年来，光伏新能源产业成为江苏省新兴产业中优先发展的重要高新技术产业领域之一，主要包括硅材料、太阳能玻璃、电池背膜、光伏逆变器等领域，全省拥有光伏企业600多家，从业人员12万人，形成了完整的产业链条。无锡尚德、常州天合、中电电气、江苏林洋、CSI阿特斯、江苏中能、江阴浚鑫和华盛天龙8家企业在境外上市，销售排名全球前20强中江苏有5家。2010年全省光伏产业实现产值1988亿元，同比增长81%，晶硅电池产量占全国的55%以上。随着其产业链的完善和价值链的提升，逐步成为国家光电产业发展规划的重要支点之一。光伏新能源产业技术含量高，產品附加值大，产业升级快，需要大量有能力从事产品设计开发、市场开拓、产品测试以及设备维护等方面的光电工程技术应用人才，对具有懂得光学、材料、电子电路、半导体物理等多方面专业知识的复合型人才需求较大。

目前以商品化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高，但受材料纯度和制备工艺限制，成本高，很难再提高转化效率或降低成本。硅基薄膜太阳能电池只需几的厚度就能实现光电转换，是降低成本和提高光子循环的理想材料，我校面向该专业本科生三年级开设“薄膜太阳能电池”作为专业必修课，设理论课32学时，实验课16学时，旨在通过该课程的学习使本专业的学生能够加深对光照下半导体中的基本物理现象、概念、基本原理的理解；掌握有关薄膜太阳能电池测试仪器及装置的结构、原理、使用；掌握对光伏领组件评价和系统测量的基本技能，从而提高学生的专业素养，为后续的学习奠定基础[1，2]。

如何培养高级工程光学类技术人才，如何将课程中比较抽象、复杂的光学问题，比如硅基半导体的能带、PN结的形成过程、掺杂浓度对PN结位置的影响、光生载流子的寿命、器件IV输出特性与负载之间的关系等物理问题，在抽象的数学表达式之外帮助学生深刻理解其中的物理内涵和工程应用，成为教研组对课程进行改革的方向[3，4]。

目前，该课程的实验安排时间较少，受实验设备和场地的限制，有些实验很难开展，通过参考兄弟高校在这方面的经验、方法及成果的基础上，通过一些分立知识点的编程设计，使学生逐步加深学生对于薄膜电池的结构和光学参数、物理参数的直观认识；通过综合案例的实践，可以启发学生思考PN结深度、掺杂种类、环境温度等工程因素对器件效率的影响机制，提高学生的工程实践能力和创新能力[5]。

二、wxAMPS仿真平台

软件模拟硅异质结太阳电池已经被广泛应用，模拟软件作为理论研究的工具，可以使理论先行，使数学物理模型建立并应用于具体材料研究，再以更细致的实验去检验理论的正确性，并不断完善理论。

目前比较流行的应用于光伏研究的太阳电池模拟软件有PC1D、ASA、AMPS、AFORS-HRT、SCAPS等。由于研究太阳电池所用材料不同或者针对研究的电池性能不同，各模拟软件针对不同的研究方向会建立不同的物理模型，以及不断地改进算法以优化计算，所以会造成适合模拟的太阳电池类型不同，软件性能也会有差异[6，7]。

wxAMPS的前身是著名的太阳电池模拟软件AMPS-1D，该软件是由美国宾夕法尼亚大学FonashS教授等开发，优化了太阳电池在能带存在大量缺陷时的模拟，适用于铜铟镓锡、非晶硅等太阳电池的模型。但是，因为接近30年时间没有重要的软性更新，所以它逐渐跟不上现代计算机技术的人性化特点，以及在计算速度等方面大大落后于新型软件[5]。

（1）载流子扩散—漂移模型是AMPS选用的基本物理模型，但该软件未考虑隧穿效应。

（2）AMPS软件使用Newton-Laplace法，计算量大，耗费计算资源，而且对计算初值比较敏感，有时甚至无法收敛。

（3）AMPS用户界面设30层材料输入为上限，无法支持精度更高的太阳电池模拟研究。

模拟操作步骤分为三步：

第一步，设定电池的环境参数，有温度、电池复合率等。光谱、偏置电压和量子效率参数在软件中有已设置好的参数文件，可以直接选中打开，也可自己编辑想要的参数，保存后选中打开。

第二步，依照自己的电池模型逐层设置材料的参数。在对话窗中分别有电学参数Electrical、缺陷参数Defect、光学参数Optical、高级参数Advanced设置，可以依据材料资料输入相关的半导体物理参数，如介电常数Permittivity、禁带宽度Eg、电子亲和势Affinity、施主浓度Nd、受主浓度Na等。程序可以输入任意层数的材料，并支持单层材料参数保存，也可以从软件中直接载入以往保持的材料模型。

第三步，点击运行（Run），得到模拟结果。在模拟计算过程中可以中断，程序会保存中途计算的结果并支持查看。而运算结果以直观的数据表、图像形式给出，即J-V曲线（IV）、能带图（Energy Band）、量子效率（QE）、电流（Current）、电场（Elec Field）、载流子寿命（Life time）等，还有增加了3个动态条以比较电池在不同电压、串并联电阻情况下特性的变化。

三、基于wxAMPS的教学实践

（一）分立知识点教学举例——单结薄膜太阳能电池的IV特性

单PN结薄膜太阳能电池是结构最简单的一种薄膜电池，器件以P型硅为衬底，之上设置n型层和减反层、表面电极，背面设置背电极，其工作原理为PN结构成内建电场对光生多子和光生少子进行分离，并利用电极引出。

传统的课堂讲述往往给定单结结构，讲解每层结构在器件工作状态下的作用，并将IV曲线和短路电流、开路电压等参数静态展示，这种方法很难解释p型和n型掺杂浓度对器件输出特性的影响，也很难让学生理解硅基衬底厚度对器件效率的影响。此外，由于学生对半导体物理知识也不够熟悉，没有建立起能带的概念，往往觉得课堂理论记住了，但对于效率与掺杂工艺之间的联系还没有建立起概念。将wxMPS引入课程，如图2所示，教师可以对外部光照、温度偏压进行设置，其中AM1.5标准太阳光谱是指晴朗天气下，太阳光透过大气层路径距离为大气层厚度的1.5倍时的太阳光谱，一般情况下，太阳天顶角为48.19°；另外加上298K即25℃的条件，即满足了硅基薄膜太阳电池在电性能测试中的规定测试标准。

利用模拟软件，可以灵活设置半导体的掺杂深度和掺杂浓度，通过计算曲线输出，学生可以清楚的看到短路电流、开路电压、填充因子等光伏特性参数，并可以通过能带图掌握半导体掺杂工艺对器件特性的作用机理；通过改变衬底厚度，可以对电池的输出特性进行调控，如图3所示。

（二）综合案例教学举例——温度对硅基薄膜电池效率的影响

根据理论模型，图4及图5分别计算了单晶硅和非晶硅电池在270K～330K温度范围内的电池输出特性参数，对wxAMPS软件的Ambient参数设置界面的light为AM_1.5G 1 sun.spe，同界面上的bias voltages設置为LIght0_0.4_1.vol，而在setting界面上采用Intra-band Tunneling带内隧穿方式进行晶硅电池模拟实验。

以上设置计算后得到温控条件下硅基薄膜太阳能电池的光电转换效率的模拟结果，并利用软件对结果进行线性拟合，结果表明硅基薄膜太阳能电池的温度变换系数为-0.3766/K。

利用wxAMPS软件平台的仿真，可以更加灵活快速的让学生掌握温度对半导体能级的作用机理，进而对器件特性产生影响，对教学中的难点和重点问题从理论、时间的高度得到了解决。同时，在仿真的过程中极大地提高了学生的学习积极性，也对学生今后在工作中可能会遇到的实践问题给予了预研。

四、结语

将wxAMPS引入“薄膜太阳能电池”课程主要利用计算机与薄膜太阳能电池原理相结合，以面向新能源科学与工程应用型教学的需要，通过教研组对于基本知识点和综合案例的实施，形象直观地展示了不同电池结构的光伏特性参数和能带结构，可以帮助学生更加深刻地理解硅基PN结薄膜电池的工作原理和优化设计方法，同时给学生深入研究问题提供了有效的手段，对目前课程教学中偏重理论、求多求全、与企业脱节的情况进行了较大的改善，对课程中难点和重点的学习起到了很好的辅助作用。

参考文献：

[1]宋力，赵丹平，柴俊霖，刘占峰.应用型专业课程研究型教学模式的探讨[J].实验室科学，2011，（04）：54-55，59.

[2]段培永.应用型创新人才培养的研究性教学模式探析[J].山东建筑大学学报，2012，（04）：440-443，450.

[3]钱国英，马建荣，林怡.本科应用型人才培养的定位与教学组织设计——浙江万里学院的实践[J].中国高教研究，2010，（01）：84-86.

[4]刘一鸣，孙云，Angus Rockett.新型太阳电池模拟软件——wxAMPS[J].太阳能，2013，（03）：20-24.

[5]马玉龙，张静，邵健，况亚伟，刘玉申.研究性教学在太阳能电池测试课程中的实践[J].科教文汇（上旬刊），2016，（01）：40-41.

[6]钟建，顾可可，于军胜，吴援明，黄江.薄膜太阳能光伏器件工艺制备及测试实验教学平台[J].实验技术与管理，2014，（06）：183-185，228.

[7]王育飞，李海霞，薛花，杨兴武.基于MATLAB仿真的太阳能发电系统课程设计案例研究[J].中国电力教育，2014，（23）：13-14，18.