基於光學薄膜設計的光伏電池減反射虛擬仿真實驗是青海大學建設的虛擬仿真實驗課程。
基本介紹
- 中文名：基於光學薄膜設計的光伏電池減反射虛擬仿真實驗
- 課程負責人：司楊
- 建設院校：青海大學
- 授課教師：高夢宇、麻林瑞、劉保劍
課程性質,教學目標,
課程性質
課程背景
在國家“碳達峰、碳中和”的重大戰略部署下，光伏發電作為新能源利用的主要形式，成為我國實現低碳發展的主要手段，光伏產業在未來將繼續保持高速增長。中國光伏裝機規模居世界首位，根據國家能源局測算到2060年還將增長60倍。而晶體矽光伏電池具有技術成熟、原料來源廣泛等特點，占據了光伏市場近90%的份額。《光伏電池原理》作為新能源材料與器件專業的核心課程，旨在培養懂理論、精技術、富創新的綜合型光伏電池研發人才。而晶體矽光伏電池技術日新月異，技術疊代快、產業變化快使得課程要達到預期的人才培養效果就必須採取“問學生志趣變模式、問工業變化改方法、問國家需求變方向”的“新工科”理念，以變應變，在快速的疊代中不斷更新教學內容，改進教學方法，提升教學質量。減反射表面鍍膜技術是製備高性能光伏電池的重要一環，然而目前無論對於新能源材料與器件專業的學生還是從事晶體矽光伏電池生產的技術人員，晶體矽光伏電池表面減反射的學習及培訓都存在著理論知識枯燥、實驗成本極高、實驗危險係數大、培訓影響工業生產、實驗不可逆、試錯代價大等問題。例如，為了得到減反射薄膜材料的厚度及折射率，需要對麥克斯韋方程組進行演化及推導，演化過程晦澀難懂，理論教學效果不盡如人意；電漿增強化學氣相沉積（PECVD）設備是工業減反射鍍膜的高精尖設備，其單台價格在千萬以上，鍍膜過程使用到的高純矽烷極易爆炸，危險係數高，使得高校無法為本課程的教學配套真實的實驗設備；若將實驗安排在實習企業則會影響企業產能，且在現場實驗中不能隨意調整已定型的生產參數；最後，由於不能進行試錯實驗，導致無法對理論計算得到的厚度及折射率等結果進行印證，進一步造成該課程內容無法開展創新性實驗，使理論學習、工業實踐、實驗創新等人才培養過程脫節。以上問題不僅使課程教學停留在理論層面上，也極大的限制了對學習者工程思維與創新能力的培養，與當前“新工科”的教育理念背道而馳。
本項目旨在通過開發基於光學薄膜設計的晶體矽光伏電池減反射虛擬仿真實驗系統，以人才培養為主線，貫穿工業生產、科研創新、成果轉化三大環節，以期促進光伏電池原理課程的教學改革，推進新能源材料與器件專業向“新工科”轉變。理論教學是工程實踐的基礎，以公式推導的理論教學模式過於枯燥，本項目基於“問學生志趣變教學方法”的理念，在三維空間形象展示電磁場在通過減反射膜後的變化，以此具象化理論學習的內容。實驗環節是學生印證理論學習成果的重要抓手，針對光伏電池減反膜實驗高危險、高成本、高消耗、不可逆的特點，本項目將實際實驗過程轉移到虛擬現實中，破除了課程無法開展核心實驗的難題。工程教育要求教學內容接近工業實際，教育組織模式需要產學融合、校企合作，本項目聯合光伏電池龍頭企業黃河水電西寧太陽能公司，高保真的還原工業生產和測試過程，使實驗貼近實際企業生產流程，解決教育與產業之間“最後一公里”的問題，實現“問工業變化改方法”。同時，在虛擬環境下，學生可以隨意進行實驗試錯，以此印證理論的正確性，避免了在企業實習“只能看、不能動”的窘境。在工業生產方面，企業對新入職員工的培訓及考核同樣存在“三高一類”的問題，本項目源於工業實際，必然可以反哺工業生產，企業可以依託本項目開展技術培訓，進一步提高了企業參與的積極性，促進產業反哺教育。在科研創新方面，光學薄膜廣泛套用於醫療衛生、精密儀器、能源科學等領域，本項目通過高度還原中國科學院某所的物理氣相沉積（PVD）實驗場景，構建了科研創新模組，提出不同光學薄膜光譜性質的套用場景需求，再通過該模組的光學仿真驅動算法，使學生能夠開展光學薄膜的套用創新，以激發學生的創新意識與工程能力，實現“問國家需求變方向”。在成果轉化方面，通過本項目學生能夠將科研創新模組中所設計得到的光學薄膜方案進行成果轉化，促進大學生創新創業教育的開展。此外，本項目將部分光學薄膜反射率核心算法代碼開源，使學生可進行獨立學習，以此將基礎理論、虛擬實驗、仿真算法相融合，增強學生編寫工業軟體的興趣，鼓勵學生參與到破除國外工業仿真軟體“卡脖子”的科技創新中來。
教學目標
（1）知識水平
1、掌握晶體矽光伏電池減反射的光學原理；
2、了解PECVD設備的工作原理；
3、掌握鍍膜工藝參數對於薄膜折射率及厚度的影響；
4、了解多層膜的減反射原理；
5、了解PVD設備的構造。
（2）能力水平
1、熟悉超淨室實驗準備；
2、掌握減反射膜測試設備的操作方法；
3、掌握PECVD參數的調整原理；
4、了解薄膜減反射的算法編程；
5、熟悉多層光學膜的設計。
