课程名称

光伏发电原理与应用

课程编号

0807001355

课程性质

选修课

学分

2

教学安排

总学时32。其中讲授 32 学时，实验 0 学时，上机0学时，实训0学时

授课时间：第5周至第19周

周学时

2/4

相关课程与环节

先修课程：新能源科学与技术概论、电路理论B、机械设计基础A、模拟电子技术B、数字电子技术B；

后修课程：太阳能热利用原理与应用、新能源综合实验、新能源发电并网技术、新能源互补发电系统

基本情况

专业

新能源科学与工程

年级

2022

班级

1

修读人数

40

授课对象分析

《光伏发电原理与应用》是新能源科学与工程专业学生的专业选修课，本专业学生前期学习了新能源科学与技术概论，对以光伏为基础的新能源方向有一定了解。本班大一、大二按能源与动力工程大类专业培养，大三按新能源科学与工程专业培养，主要面向风电、光伏等新能源发电方向，偏重应用端与运维端（不是制造端）。按小班教学，班级结构完整，学风良好，学科理论基础厚实宽广；与其他院校的新能源专业相比，我校新能源科学与工程专业的最大特色是具有很强的能源电力类学科基础和行业背景。

课程简介与要求

课程简介：《光伏发电原理与应用》是新能源科学与工程专业的一门专业教育课，主要讲述太阳能光伏发电的原理及其应用。本课程将理论与实际紧密结合，结合当前光伏发电的行业发展与最新技术，向学生系统讲述光伏发电原理、关键技术和工程案例，体现深度、难度和挑战度。课程内容主要包括：太阳辐射基础知识、太阳电池基本原理与性能参数、晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池、光伏发电系统、光伏电站工程案例、光伏发电成本效益分析评价等。

要求：坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。深度挖掘提炼光伏发电原理与应用课程知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，科学合理拓展课程的广度、深度和温度，从课程所涉专业、行业、国家、国际、文化、历史等角度，增加课程的知识性、人文性，提升引领性、时代性和开放性。从中华民族伟大复兴、国家能源安全和能源转型战略、“双碳”目标和经济高质量发展的角度，使学生深刻意识到肩负国家能源电力行业的使命担当。

课程目标

课程目标

支撑毕业要求指标点

与课程关联度

了解光伏发电行业和技术发展状况，树立肩负国家能源电力行业使命担当的意识。

毕业要求1/思想品德：

坚持社会主义核心价值观，具有坚定的政治立场，热爱祖国，具有为国家富强、民族昌盛而奋斗的志向和社会责任感，树立科学的世界观，同时具有遵纪守法、爱岗敬业、团结协作的品质及良好的社会公德和职业道德。 

M

应用太阳辐射、太阳电池、光伏系统的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决光伏发电过程中的实际问题。

毕业要求2/工程知识:

能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决新能源科学与工程专业的复杂工程问题。

M

分析与评价太阳辐射资源、各类太阳电池性能与机理、光伏发电系统运行性能、光伏发电系统经济与社会效益等。

毕业要求3/问题分析：

能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析新能源科学与工程专业的复杂工程问题，以获得有效结论。

M

根据太阳能资源条件和具体应用场景，设计（开发）各种类型的光伏发电系统，获得光伏电站设计、安装、运行与维护的解决方案。

毕业要求4/设计(开发)解决方案：

能够设计（开发）满足新能源科学与工程特定需求的系统、设备或自动控制方案，并在设计环节中考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。在提出复杂工程问题的解决方案时具有创新意识。

H

运用太阳电池和光伏系统的原理，探索太阳电池和光伏系统的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

毕业要求5/研究：

能够基于科学原理、采用科学方法对新能源科学与工程专业的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、收集、处理、分析与解释数据，通过信息综合得到合理有效的结论并应用于工程实践。

M

课程思政

坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观，培养爱国情怀和社会责任感；深入探讨光伏发电原理的学术和技术研究，引导学生理解可再生能源与可持续发展的重要性，培养环保意识和可持续发展观念；通过光伏发电技术在保护环境和节约能源方面的应用案例，激发学生的创新精神和实践能力；强调光伏发电技术的社会效益和经济效益，培养学生的社会责任感和公民意识；加强光伏发电领域的学科交叉与融合，培养学生的综合能力和跨学科思维，提升学生的解决问题的能力；提升学生的文化素养，通过探究光伏发电技术与社会文明发展的历史和文化联系，培养学生对科学技术与社会发展的综合认知；培养学生的团队合作精神和沟通能力，通过合作项目、研讨案例等形式，培育学生的团队协作和交流合作能力；打造良好的思想教育平台，引导学生正确树立人生价值观和社会责任观，培养学生担当民族发展大任的意识和使命感。本课程旨在培养学生成为既具备专业能力又具备良好思想品德的光伏发电领域人才，为推动可持续发展和实现清洁能源应用做出贡献。

教学方法

本课程既有较强的理论基础，又具有较强的工程应用背景。因此，需要做到以下几点：

（1）理论课为课堂教学，多注意调动学生的学习积极性，以启发交流式教学为主。充分利用多媒体教学，使课堂图文并茂、声象结合，使学生多方位、立体化的形成认知。

（2）要求学生学习中，多看参考书，并查阅文献资料，撰写科研小论文，培养学生分析问题、解决问题的能力。

（3）课外兴趣小组和创新实验选择。鼓励学生自愿申报参加课外兴趣小组和创新实验，以提高优秀学生的动手和创新能力。

（4）拓展性讲座与技术交流。把科研课题引入理论教学，使课堂教学内容更加丰富。同时，利用网络教学优势，把教师的拓展性讲座和技术交流资料以电子版形式展示，供感兴趣的同学课外学习参考。

（5）基于工程教育中工具软件应用的发展趋势，引入如AutoCAD、Solidwork等进行工程绘图，引入PVsyst、Python、MATLAB等软件进行编程或模拟计算，学会使用现代工具的能力，提高学生自主动手及自主学习能力，为后续教育打下基础。

（6）为了支撑多样化的考核方式，建立丰富的网络教辅资源库，可以进行课前课后测试、单元测试、期中和期末考试等组卷。

教学重点

与难点

重点：太阳辐射基础知识，太阳电池工作原理,晶体硅太阳电池的生产制造工艺流程，薄膜太阳电池的类型与生产制造工艺流程，光伏系统的软硬件设计与选型，光伏发电工程的应用、设计、安装、运行与维护。

难点：太阳辐射基本参数计算，太阳光谱的光子能量计算与分频利用，半导体能带理论与光伏效应，太阳电池主要性能参数的影响机制，各种高效晶体硅太阳电池技术，各类薄膜太阳电池的特性与机理，蓄电池的充放电特性与光伏系统的容量设计，光伏发电的成本效益分析评价。

课程各教学环节内容与安排

知识单元

知识点

课内学时

教学方式

作业/测验

课外学习

1. 绪论

用太阳能的重要意义；光伏发电的特点与应用；全球光伏发电的发展现状

2

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

2.太阳辐射基础知识

日地运动与太阳角计算；太阳辐射量计算；太阳光谱的光子能量计算与分频利用

4

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

3.太阳电池的基本原理与性能参数

半导体基础知识与能带理论；太阳电池的结构与工作原理；太阳电池的主要性能参数及影响机制；太阳电池的光吸收材料与选材准则

4

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

4.晶体硅太阳电池

普通单晶硅和多晶硅太阳电池；p型钝化发射极背面接触(PERC)太阳电池；硅基异质结(SHJ)太阳电池；n型隧穿氧化钝化接触(TOPCon)太阳电池

6

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

5.薄膜太阳电池

非晶硅太阳电池；碲化镉类太阳电池；铜铟硒类太阳电池；砷化镓类太阳电池；敏化型太阳电池；金属卤化物钙钛矿太阳电池；有机聚合物太阳电池

6

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

6.光伏发电系统

光伏组件与光伏系统主要部件；光伏系统的机械、控制、储能与电气部分；光伏系统的机械、控制、储能与电气部分；离网光伏系统的设计；互补型光伏系统的设计；光伏系统的选型、安装与调试

4

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

7.光伏电站工程案例

集中式并网光伏电站；分布式并网光伏电站；互补型光伏电站；“光伏+”的应用；光伏电站的安全稳定高效运维与管理

4

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

8.光伏发电的效益分析

光伏发电的经济效益；光伏发电的能量偿还时间；光伏发电减少CO2排放量；光伏发电的其他效益

2

讲授

具体见分课时教案

具体见分课时教案

考核项目

考核内容

考核方式

分值或占比

期末考试

课程教学内容

开卷

60

小测验

各知识模块

随堂考试

10

作业

课后习题

提交作业

20

课堂表现

出勤率和课堂参与度

考勤、课堂讨论、课堂展示等

10

推荐教材

《太阳能光伏发电应用技术（第3版）》，杨金焕主编，电子工业出版社，2020.

参考材料

1、《太阳能光伏发电及应用技术》，赵书安主编，东南大学出版社，2011；

2、《太阳能光伏发电技术》，沈辉、曾祖勤主编，化学工业出版社，2006；

3、《太阳能光伏发电工程实用技术》，谢建、马勇刚主编，化学工业出版社，2010；

4、《太阳能光伏发电技术》，颜慧主编，中国水利水电出版社，2014；

5、《太阳能光伏发电系统的设计施工与应用》，李钟实主编，人民邮电出版社，2014。

课程资源

《光伏发电工程技术》

课程链接：https://www.icourse163.org/course/XZCIT-1206999808?from=searchPage

《薄膜太阳能电池》

课程链接：https://www.icourse163.org/course/CSLG-1001753006

《太阳能电池测试及标准》

课程链接：https://www.icourse163.org/course/CSLG-1449626168?from=searchPage

教材分析与处理

根据光伏技术的最新发展，适当增加钙钛矿太阳电池和叠层太阳电池的内容，非晶硅太阳电池的章节内容可适当删减。结合时代背景，增加光伏发电技术对碳排放影响的内容。课程目标基本与教材内容同步进行。

知识单元名称

第1章 绪论

课次

第1讲

授课类型

理论课讨论课实验课□习题课□其他□

学时

2

课程目标与要求

了解光伏发电行业和技术发展状况，树立肩负国家能源电力行业使命担当的意识。

本单元重点

与难点内容

重点：光伏发电的特点、应用和行业发展状况；

难点：从中国电力行业与经济发展结合的角度，认识光伏发电的时代背景和重要性。

教学内容

本次课教学内容分为四部分：1、首先从传统化石能源使用及环境问题出发，结合国家双碳战略，针对我国的能源与环境问题之间的矛盾，以常规电网的局限性，提出开发利用太阳能的重要意义；

2、以图表的形式体现太阳能发电的优点、缺点，同时介绍太阳能发电的类型，从而引出光伏发电的优势和重要意义；

3、从教材、行业研究报告、政府统计数据中获取全球光伏发电状况，介绍目前光伏市场的发展趋势，以及各类光伏电池的应用现状；

4、 从国家顶层设计出发，阐明“双碳战略”对我国光伏行业的影响，介绍各省、市、州等地方政府对于光伏行业的政策支持，从光伏晶硅电池发展的历程和现状详细介绍我国光伏产业发展，包括硅片头部企业长单签订情况及扩产规划，以及市场结构分布及新增光伏装机预测等

课程思政

1、通过展示环境污染、温室效应等问题的相关图片，引导学生讨论传统化石能源利用带来的日益严重的环境问题，说明发展新能源和新型能源技术的重要性；

2、为实现碳达峰、碳中和，需要构建以新能源为主体的新型电力系统；

3、引导学生树立绿色可持续发展的理念，学习利用科学的方法解决人类所面临的能源和环境问题。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

从国家能源安全与能源转型、“碳达峰、碳中和”战略目标、新型电力系统、中国电力行业发展状况、经济高质量增长阶段等宏观战略角度导入。

太阳能光伏发电的主要特点：指出太阳能光伏发电并非只是一个发电装置，它还有广阔的应用，这是它的一个很大的特点。例如，光伏空间站、光伏电动汽车、光伏建筑、光伏农业等。当然，它也存在很多缺点，例如间歇性、随机性、能量密度低等。

关键环节与数据：

（1）中国光伏行业发展历程：缓慢发展期（1970-2004），从航空向民用；快速成长期（2004-2012），2006年《可再生能源法》、2009年“金太阳工程”，补贴装机容量；高速发展期（2013-2018），补贴发电量，分布式光伏发电和光伏电站的“二分法”，分类电价与补贴（1元/度）；平价上网期（2019-至今），2019年平价上网，2020年退坡补贴，2022年大型风电光伏基地建设。

（2）截至2023年7月底，全国累计发电装机容量约27.4亿千瓦，光伏装机容量约4.9亿千瓦，风电装机容量约3.9亿千瓦。

（3）预期目标：2030年全球可再生能源发电规模107.7亿千瓦；2050年全球可再生能源发电量占比将提升至90%，全球光伏装机将超过140亿千瓦。

（4）装机容量单位：1亿千瓦=100GW,1GW=1000MW=100万千瓦。

提问：

（1）辨别清洁能源、可再生能源、新能源几个概念及电源的分类。

（2）区别太阳能光伏发电（PV）与太阳能光热发电（CSP）的异同。

（2）2023年1-7月份，全国核电发电小时数4440小时（最高），火电2573小时（为核电1/2），水电1578小时（为火电1/2、与风电持平），风电1416小时（为火电1/2、与水电持平），光伏780小时（风电1/2）。阐述各类电源发电小时数差别的原因。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影像展示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、   统计和分析过去十年中国电力生产与全社会用电量状况，预测不同增速下2030年、2060年的中国电力生产和全社会用电量。

2、   依据中国电力生产和全社会用电量需求，讨论光伏行业将在未来中国能源转型和实现“双碳”目标中所扮演的角色与作用。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

学生普遍对课程内容表示兴趣，认为太阳能发电是未来能源发展的趋势，对国家双碳战略充满信心。一些学生提出，希望在课程中增加更多实际案例和行业趋势的分享，以更好地理解光伏产业的发展，因此需要对太阳能光伏呈现最新信息，光伏发电状况和光伏产业，从技术、政策、地区分布多维度展现。

备注

无

知识单元名称

第2章 太阳辐射基础知识

课次

第2讲

授课类型

理论课讨论课实验课□习题课□其他□

学时

2

课程目标与要求

应用太阳辐射的基本概念、基本理论和基本方法，分析与评价太阳辐射资源。

本单元重点

与难点内容

重点：太阳光谱的光波与量子特性，太阳光谱的紫外、可见光与红外光的分布范围，地面太阳辐射度、辐照量与太阳辐射资源评价。

难点：太阳光波长与光子能量的换算；天球坐标下太阳角（高度角、方位角）、日照时间、太阳辐射量等参量的计算。

教学内容

本次课主要内容分三部分：

1、太阳概况：介绍和了解太阳本身的属性，对其构造、光学性质以及太阳光的辐射吸收等，认识到利用太阳能的巨大优势和意义，增强学生从事太阳能利用相关工作信心；

2、日地运动：（1）地球概况，介绍地球的基本属性，与太阳的属性形成鲜明对比；（2）通过日地运动介绍真太阳时，给出真太阳时与平太阳时之间关系，推算不同地区的真太阳时；（3）讲解日出与日落规律，引出太阳运行轨迹；

3、天球坐标：讲授赤道坐标系和地平坐标系，讲解太阳高度角、方位角、日出和日落时角及方位角、太阳入射角等太阳角的计算；

课程思政

1、“碳达峰、碳中和”背景下，我国对光伏产业的政策驱动

2、“一带一路”给我国光伏产业带来的机遇与挑战

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

以地球生命的起源与能量的来源为导引，强调太阳对人类和地球生命的重要性，进一步讲述太阳的结构、太阳与地球运动关系、光能的本质、太阳光谱、太阳辐射资源等知识，熟练太阳辐射的角度关系。

关键公式：

（1）一年中某日的赤纬角（Cooper方程）

（2）高度角和纬度、赤纬及时角的关系

（3）方位角与赤纬、高度角、纬度及时角的关系

（4）大气质量

时间分配：

（1）          多媒体讲解：60分钟

（2）          计算演示：15分钟

（3）          练习：15分钟

作业与

思考题设置

1、计算可见光区段（0.38~0.76μm）、太阳辐射波长范围（0.2~2μm）和热辐射波长范围（0.1~100μm）的光量子能量。

2、完成教材第52页练习题。

3、计算长沙市的太阳角与太阳辐射量。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

学生通过课程对太阳的属性、光学性质以及太阳光的辐射吸收等有了深入的了解，意识到利用太阳能的重要性和潜力。一些学生提出希望增加更多的计算练习，以帮助他们更好地应用所学知识。可以考虑在课程中引入一些高级概念，以满足对更深入知识的渴望，了解太阳辐射的重要性和辩证的优劣关系

备注

无

知识单元名称

第2章 太阳辐射基础知识

课次

第3讲

授课类型

理论课讨论课实验课□习题课□其他□

学时

2

课程目标与要求

应用太阳辐射的基本概念、基本理论和基本方法，分析与评价太阳辐射资源。

本单元重点

与难点内容

重点：太阳光谱的光波与量子特性，太阳光谱的紫外、可见光与红外光的分布范围，地面太阳辐射度、辐照量与太阳辐射资源评价。

难点：太阳光波长与光子能量的换算；天球坐标下太阳角（高度角、方位角）、日照时间、太阳辐射量等参量的计算。

教学内容

本次课主要内容分2部分：

1、跟踪平面的角度：讲授按照环绕单轴转动，如水平东、西向，水平南、北向，垂直或平行于地球轴这几种方向计算道太阳的入射角和平面的方位角；

2、太阳辐射量计算：通过介绍太阳常数、太阳辐射分布、大气质量以及大气透明度等参数，讲授太阳辐射量的计算，包括散射和总辐照量及不同倾面角的辐射量。

课程思政

1、   “碳达峰、碳中和”背景下，我国对光伏产业的政策驱动

2、引导学生深入理解和思考与可再生能源和可持续发展相关的问题：将太阳能光伏发电与能源问题、可持续发展和环境保护联系起来，引导他们思考能源未来的挑战与机遇

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

以地球生命的起源与能量的来源为导引，强调太阳对人类和地球生命的重要性，进一步讲述太阳的结构、太阳与地球运动关系、光能的本质、太阳光谱、太阳辐射资源等知识，熟练太阳辐射的角度关系。

关键公式：

（1）倾斜面上太阳光入射角θ（太阳光线与倾斜面法线之间的夹角）

（2）光量子能量计算E=hν=hc/λ

时间分配：

（1）          多媒体讲解：60分钟

（2）          计算演示：15分钟

（3）          练习：15分钟

作业与

思考题设置

计算长沙市的太阳角与太阳辐射量。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

学生普遍认为课程内容具有实际应用价值，可以帮助他们更好地理解太阳能利用的原理和技术。对课程的结构和讲解方式表示满意，但也提出希望能够进一步深入一些高级概念和技术。后续教学中可以考虑在课程中引入一些高级概念，以满足对更深入知识的渴望，了解太阳辐射的重要性和辩证的优劣关系

备注

无

知识单元名称

第3章

太阳电池的基本原理与性能参数

课次

第4讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标3：根据基本参数分析与评价太阳电池的性能与机理。

本单元重点

与难点内容

重点：半导体的基础知识，太阳电池PN结中内建电场形成和光能激活价电子的过程。

难点：从能量角度理解半导体中价电子发生跃迁难易程度决定带隙宽度；从光能激活价电子成为自由电子和内建电场使自由电子发生定向漂移理解光伏效应。

教学内容

3.1半导体基础知识与能带理论

3.2太阳电池的结构与工作原理

课程思政

建立从科学原理到工程技术的联系，培养科学家与工匠精神。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

从化学、材料、物理角度理解物质科学，进而理解产生半导体的本质；从半导体所具备的特性和价电子被激活，理解产生的光伏效应，能量是根本原因；从材料制备到器件设计，理解从物质科学到功能化应用。

提问：

（1）名词解释：P型半导体、N型半导体、本征半导体、掺杂半导体、载流子浓度、载流子迁移率。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影像展示：10分钟

（3）提问：20分钟

作业与

思考题设置

1、  从光捕获效率和载流子收集效率角度，分析可以从哪些方面提高太阳电池的光电转换效率？（光捕获：减反射、陷光结构、光吸收层厚度、光吸收层的带隙和吸光系数等；载流子收集：提高光吸收层薄膜结晶质量以减少载流子非辐射复合缺陷，改善界面缺陷和能级匹配，增强内建电场提高载流子定向漂移的能力等。）

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第3章

太阳电池的基本原理与性能参数

课次

第5讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标3：根据基本参数分析与评价太阳电池的性能与机理。

本单元重点

与难点内容

重点：太阳电池光伏性能的主要参数，太阳电池的I-V曲线特性及影响因素，太阳电池的等效电路，太阳电池光吸收层的选材准则。

难点：主要参数的含义，I-V曲线所表征的含义，等效电路的认识

教学内容

3.3太阳电池的主要性能参数及影响机制

3.4太阳电池的光吸收材料与选材准则

课程思政

建立从科学原理到工程技术的联系，培养科学家与工匠精神。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

从材料科学与半导体物理的角度，分析适合于太阳电池光吸收层材料的选材标准；从工程应用角度，分析实现太阳电池商业化的效率、成本与寿命平衡关系。

关键环节与知识点：

（1）以太阳电池I-V曲线和等效电路图为中心，分析太阳电池主要参数和光伏特性之间的内在联系，以让学生理解主要参数（开路电压、短路电流、光电转换效率、填充因子、串联电阻、并联电阻等）的本质。

（2）在I-V曲线中，对横坐标作切线，斜率的倒数可以近似看作串联电阻，越小越好，极限值是斜率为无穷大，串联电阻为0；对纵坐标作切线，斜率的倒数可以近似看作并联电阻，越大越好，极限值是斜率为0，并联电阻为无穷大。

提问：

（1）依据半导体的带隙宽度和化合物种类，例举太阳电池光吸收层材料。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）公式演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  利用Matlab软件建立太阳电池等效电路图，分析光照强度与温度对I-V曲线的影响。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第4章

晶体硅太阳电池

课次

第6讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标5：运用太阳电池的原理，探索太阳电池的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：太阳能级单晶硅和多晶硅材料的制造工艺及装备。

难点：改良西门子法高纯多晶硅提纯，单晶硅棒拉制和多晶硅锭铸锭的工艺过程。

教学内容

4.1普通单晶硅和多晶硅太阳电池

4.1.1硅材料的制备

4.1.2单晶硅制备

4.1.3多晶硅的制备

课程思政

从“硅故事”引申支撑人类社会文明进步的能源变革与转型所起到的巨大作用和创造性，增强学生对专业的兴趣和使命感。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

以“光伏产业链——从砂到电的故事”为导引，类推支撑人类社会生产生活及发展的能源载体——从碳能源到硅能源、锂能源、氢能源等新能源载体，讲述晶体硅太阳电池的生产制造工艺。

提问：

（1）简述单晶硅与多晶硅材料特性方面的差异。

（2）简述拉制单晶硅棒的工艺过程。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  简述改良西门子法提纯多晶硅的工艺过程。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第4章

晶体硅太阳电池

课次

第7讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标5：运用太阳电池的原理，探索太阳电池的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：硅片加工工艺，晶硅太阳电池片的生产，晶硅太阳电池组件的封装。

难点：硅片切割过程中硅料节约原则，硅片腐蚀与清洗工艺，单晶硅与多晶硅表面制绒的差异，晶体硅太阳电池比表面减反射膜的设计，晶体硅太阳电池P-N结的制结与印刷电路过程。

教学内容

4.1普通单晶硅和多晶硅太阳电池

4.1.4 硅片的制备

4.1.5晶体硅太阳电池的制造

4.1.6 太阳电池组件的封装

课程思政

从光伏装备制造的国产化进程，培养学生科技自强自立的意识。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

继续对上次课“硅故事”进行延伸，讲述从材料到器件的过程，讲述硅片、电池、组件的生产制造工艺。

提问：

（1）简述普通晶体硅太阳电池的电极材料与电路设计中存在什么缺点。

（2）比较单晶硅片与多晶硅片腐蚀液配置与腐蚀后绒面形貌的差异。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  简述晶体硅太阳电池比表面减反射膜的设计原则与材料体系。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第4章

晶体硅太阳电池

课次

第8讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标5：运用太阳电池的原理，探索太阳电池的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：几条主流高效晶体硅太阳电池的电池结构与技术路线；

难点：几条主流高效晶体硅太阳电池技术路线的机理和工艺实现。

教学内容

4.2 高效晶体硅太阳电池技术

4.2.1 p型钝化发射极背面接触(PERC)太阳电池

4.2.2 n型钝化发射极背面局部扩散(PERL)和钝化发射极背面整面扩散（PERT）

4.2.3太阳电池硅基异质结(SHJ)太阳电池

4.2.4 n型隧穿氧化钝化接触(TOPCon)太阳电池

课程思政

从光伏技术的不断引申到技术的积淀、升级与迭代在工业文明进步中是不断地进行的，唤起学生对“科技是第一生产力”、“创新是第一生产力”认识。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

以上次课“普通晶体硅太阳电池的电极材料与电路设计中存在什么缺点？”为导引，讲述更高效晶体硅太阳电池是对传统晶体硅太阳电池在结构设计和制造工艺上的改进。

提问：

（1）简述当前p型钝化发射极背面接触(PERC)太阳电池技术路线的优越性。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、比较太阳电池硅基异质结(SHJ)太阳电池与n型隧穿氧化钝化接触(TOPCon)太阳电池在电池结构与工艺路线实现上的差异。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第5章

薄膜太阳电池

课次

第9讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标5：运用太阳电池的原理，探索太阳电池的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：已商业化的碲化镉太阳电池和铜铟镓硒太阳电池，高效的砷化镓太阳电池。

难点：各类薄膜太阳电池的电池结构与材料体系。

教学内容

5.1非晶硅薄膜太阳电池

5.2 碲化镉类太阳电池（II-VI族）

5.3铜铟硒类太阳电池(I-III-VI或I-II-IV-VI族)

5.4砷化镓类太阳电池（III-V族）

课程思政

将太阳电池概念扩广到更加丰富的材料体系与技术方案，培养学生创新意识、创新思维和终身学习的能力。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

从第3章“3.4太阳电池的光吸收材料与选材准则”和晶体硅太阳电池生产过程复杂、高耗能、高耗材和晶体硅属于非直接带隙半导体等缺点为切入点，有没有更高吸光性系数、更加节省材料、工艺过程更加简单的太阳电池材料和技术方案？导出开发薄膜太阳电池的必要性与优越性，再指出它在空间工程、柔性可穿戴电子产品、光伏建筑一体化、太阳能汽车等特殊的应用场景。

关键环节与知识点：

怎样从具体的太阳电池半导体材料归纳元素周期表中族元组的配合形成新的太阳电池半导体材料。

提问：

（1）碲化镉太阳电池和铜铟镓硒太阳电池都需要CdS窗口层材料，该半导体材料有什么特性和起到什么作用？

（2）从能级排列的角度，分析异质结太阳电池中有几种类型？

（3）为什么砷化镓太阳电池电池光电转换效率最高却没有实现大规模商业化？

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  分析高效砷化镓多结叠层太阳电池中子电池的合金化材料体系。

2、  比较碲化镉太阳电池和铜铟镓硒太阳电池的材料特性、电池结构和工艺路径（Superstrate型与Substrate型）的异同。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第5章

薄膜太阳电池

课次

第10讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标5：运用太阳电池的原理，探索太阳电池的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：敏化型太阳电池的工作原理，金属卤化物钙钛矿半导体材料特性与钙钛矿太阳电池的工作原理。

难点：敏化型太阳电池的电池结构、光电转换与载流子传输过程，金属卤化物钙钛矿半导体材料的几何容量因子、离子迁移与相稳定性问题。

教学内容

5.5敏化型太阳电池(染料敏化、量子点敏化等)

5.6金属卤化物钙钛矿太阳电池

课程思政

通过此敏化太阳电池进化为平面型钙钛矿太阳电池发展过程的阐述和建立联系，使学生认识到科技是不断向前发展的，需要不断地创新和突破。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

上次课讲述了已实现商业化的薄膜太阳电池，但从转换效率和价格成本方面，与市场主流的晶体硅太阳电池无法竞争，只在某些特殊场合得到应用。进一步，一种更低成本、基于电化学原理的新型敏化型太阳电池——Gratzel太阳电池被发明，但转换效率低和稳定性差制约其商业化进程。一种光电性能优异的全新半导体材料——金属卤化物钙钛矿材料被发明作为敏化剂，后来其电池结构与材料体系不断被优化，光电转换效率不断被刷新纪录，逐步目前开始走向商业化。

提问：

（1）怎样强化敏化型太阳电池的光捕获与载流子收集过程？

（2）敏化型太阳电池是怎样进化为钙钛矿太阳电池及其不断优化？

（3）长期稳定性是制约钙钛矿太阳电池商业化的瓶颈，影响其稳定性的主要机理是什么？

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  从效率、成本与寿命三者平衡，论述未来钙钛矿太阳电池的发展方向。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第5章

薄膜太阳电池

课次

第11讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用太阳电池的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决太阳电池的实际问题。

目标5：运用太阳电池的原理，探索太阳电池的新概念、新材料、新器件、新工艺及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：有机聚合物半导体及太阳电池，铜锌锡硫太阳电池，硒化锑太阳电池。

难点：有机聚合物半导体中电子受体与电子给体的概念，有机聚合物太阳电池的电池结构与材料体系，铜锌锡硫与硒化锑新型半导体的元素组成、晶相结构与半导体性质。

教学内容

5.7有机聚合物太阳电池

5.8其它新型薄膜太阳电池（铜锌锡硫太阳电池、硒化锑太阳电池等）

课程思政

讲述先进技术、价格成本和市场之间关系，培养学生创新创业意识。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

以“第三代太阳电池”的高效率、低成本目标和柔性太阳电池的发展为切入点，提问有机聚合物能不能作为半导体和太阳电池的光吸收层材料？介绍有机聚合物太阳电池、铜锌锡硫太阳电池、硒化锑太阳电池等几种新型半导体与太阳电池。

提问：

（1）有机聚合物半导体与无机半导体在概念上有什么差别？

（2）按照元素周期表中族的关系，硒化锑属于哪一类化合物半导体？

（3）铜锌锡硫太阳电池与铜铟镓硒太阳电池有哪些相似之处，有什么优点？

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  有机聚合物太阳电池会有哪些潜在的优点，目前研究进展如何？

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第6章

光伏发电系统

课次

第12讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用光伏系统的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决光伏发电过程中的实际问题。

目标3：根据基本参数分析与评价光伏发电系统运行性能。

本单元重点

与难点内容

重点：光伏组件及主要平衡部件的主要特性，光伏系统的主要类型，光伏系统的机械、控制、储能与电气设计。

难点：光伏组件、支架与逆变器的选型，光伏电站控制器的控制任务，光伏系统储能部分的容量设计与蓄电池的充放电控制。

教学内容

6.1光伏组件与光伏系统主要部件

6.2光伏系统的机械、控制、储能与电气部分

6.3并网光伏系统的设计

课程思政

从器件到系统，培养学生系统思维和全局观念，树立团队合作意识。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

以“从材料到器件，从器件到系统”为导引，指出太阳电池要构成一个为负载或电网供电的系统，提问需要哪些硬件与软件。依据不同的应用需求，怎样进行光伏系统设计或应该考虑哪些因素？

提问：

（1）光伏支架有哪些类型？

（2）并网型光伏系统需要配储能吗？所起到作用是什么？怎样平衡成本？

（3）为了保持光伏系统的最大发电量、长寿命或抵御自然灾害，光伏支架设计应该如何考虑？

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、  为了使光伏系统优化运行，需要哪些关键控制技术？

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第6章

光伏发电系统

课次

第13讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标2：应用光伏系统的基本概念、基本理论和基本方法，计算、分析和解决光伏发电过程中的实际问题。

目标3：根据基本参数分析与评价光伏发电系统运行性能。

本单元重点

与难点内容

重点：光伏组件及主要平衡部件的主要特性，光伏系统的主要类型，光伏系统的机械、控制、储能与电气设计。

难点：光伏组件、支架与逆变器的选型，光伏电站控制器的控制任务，光伏系统储能部分的容量设计与蓄电池的充放电控制。

教学内容

6.4离网光伏系统的设计

6.5互补型光伏系统的设计

6.6光伏系统的选型、安装与调试

课程思政

从光伏系统安装调试和运行维护的角度，培养学生工程安全意识和环保意识。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

继续上次课的内容，强调离网型光伏系统的设计原则与注意事项。将光伏系统扩展至风电、水电等，怎样设计互补型光伏系统。讲述光伏系统安装的技术规范、调试过程及维护与管理有关知识。

提问：

（1）离网型光伏系统为什么需要配储能？

（2）蓄电池的容量设计需要遵循什么原则？

（3）比较离网型光伏系统与并网型光伏系统配储能的差别。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、比较铅酸蓄电池、锂离子电池与全钒液流电池的充放电特性。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第7章

光伏电站工程案例

课次

第14讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标4：根据太阳能资源条件和具体应用场景，设计（开发）各种类型的光伏发电系统，获得光伏电站设计、安装、运行与维护的解决方案。

目标5：运用光伏系统的原理，探索光伏系统的新概念及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：大型集中式光伏电站案例，分布式光伏电站案例，互补型光伏电站案例。

难点：集中式光伏电站与分布式光伏电站的区分及并网电压等级，互补型光伏电站中光伏与其它电源的互补效应。

教学内容

7.1集中式并网光伏电站

7.2分布式并网光伏电站

7.3互补型光伏电站（风光互补、水光互补、光伏-光热互补等）

课程思政

国家光伏精准扶贫的故事：通过观看视频《光伏扶贫电站建设者的工作历程全纪录︰在那高山上》，讲述了一个个奋战在光伏扶贫一线的工程师的感人事迹，如:吕学银、李宜林、王述平、田恒念等，培养学生立足专业岗位，精准务实、开拓创新、攻克艰难、不负人民的脱贫攻坚精神。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

在上一章光伏系统设计所学知识基础上，以不同类型的光伏电站具体案例，进一步认识与分析光伏电站的系统思维与具体场景，使理论知识与实践相结合，让学生初步具备设计光伏电站的能力。

提问：

（1）根据光伏装机规模与并网电压等级区分集中式与分布式光伏电站？

（2）相对于集中式光伏电站，分布式光伏电站具有哪些优势？

（3）例举一些互补型的光伏电站，并分析其可行性与优缺点。

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、构想一个应用场景，利用PVSystem软件模拟设计一个集中式或分布式光伏电站。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第7章

光伏电站工程案例

课次

第15讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标4：根据太阳能资源条件和具体应用场景，设计（开发）各种类型的光伏发电系统，获得光伏电站设计、安装、运行与维护的解决方案。

目标5：运用光伏系统的原理，探索光伏系统的新概念及新应用，获得有创新性和实用价值的产品或方案。

本单元重点

与难点内容

重点：光伏电站+其它产业或应用，光伏电站的安全稳定高效运维与管理。

难点：怎样根据具体应用场景设计光伏电站产生“光伏+”倍增效应，制约光伏电站安全稳定高效运维与管理的主要因素。

教学内容

7.4“光伏+”的应用（光伏+建筑、光伏+交通、光伏+农业等）

7.5光伏电站的安全稳定高效运维与管理

课程思政

从国家风光大基地建设、三峡新能源到新基建，树立大国工程意识和爱国主义情怀。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

从光伏电站需要占用大量土地面积的事实出发，指出光伏发电可能出现与农、林、渔、环境等争地的问题，从而违背生态清洁环保的初衷，而本着“光伏+”的理念，光伏电站设计可以与其它产业或应用有机结合，综合考虑发电效益、经济效益与社会效益，充分利用资源。

提问：

（1）例举几个“光伏+”的具体应用。

（2）光伏电站的安全稳定高效运维与管理需要注意哪些事项？

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、构想一个“光伏+”应用场景，利用AutoCAD软件绘制光伏阵列与电气连接。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无

知识单元名称

第8章

光伏发电成本效益分析评价

课次

第16讲

授课类型

理论课

学时

2

课程目标与要求

目标3：根据基本参数分析与评价光伏发电系统的经济和社会效益。

本单元重点

与难点内容

重点：光伏电站投资收益的影响因素，光伏电站的社会效益。

难点：全寿命周期内光伏电站经济效益的计算，光伏电站的能量偿还时间计算，光伏电站的减排效益计算。

教学内容

8.1 光伏发电的经济效益

8.2 光伏发电的能量偿还时间

8.3 光伏发电减少CO2排放量

8.4 光伏发电的其他效益

课程思政

培养学生的投入产出、价格成本、经济效益、社会效益和环保效益的意识。

教学过程设计：

教学方法及手段、课堂互动题设置、教学改革措施等

课程导入与教学整体思路：

从投资回报的角度作为切入点，怎样计算、评价和增加光伏发电的经济效益、社会效益和环保效益，结合当前“绿电交易”、“碳汇”，讲述光伏发电成本效益分析评价的方法与模型。

提问：

（1）有人说晶体硅太阳电池生产过程中高耗能和高污染，为什么说光伏发电还是绿电？

（2）光伏电站的安全稳定高效运维与管理需要注意哪些事项？

时间分配：

（1）多媒体讲解：60分钟

（2）影视演示：15分钟

（3）提问：15分钟

作业与

思考题设置

1、以长沙地区为例，计算一个光伏电站的成本效益（包括投资规模和全寿命周期内发电量、经济效益、能量偿还时间和减排效益）。

学习效果、学生反馈、反思改进措施等

备注

无