毛巍威,薛洪濤

(南京郵電大學(xué) 理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210023)

高等教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)，可以為學(xué)生今后走向社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，已無法滿足培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思考、自主操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力的素質(zhì)目標(biāo)。因此，為充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的突出作用，需大力開展以科研課題為引導(dǎo)的開放綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以科研課題為引導(dǎo)的開放綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即科研引導(dǎo)型開放實(shí)驗(yàn)，就是將科學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)研究問題引入本科生的教學(xué)課堂，使學(xué)生通過類似研究生的研究過程理解并研究某一科研課題[1]。開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性，通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力[2]。在科研引導(dǎo)型教學(xué)理念的指導(dǎo)下，選擇拆解出科研課題的部分內(nèi)容，對(duì)傳統(tǒng)的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，因材施教，不僅能夠使學(xué)生達(dá)到原有的開放實(shí)驗(yàn)要求，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和研究能力[3]。本文基于從科研課題中提煉的開放實(shí)驗(yàn)“鐵電材料的光伏效應(yīng)研究”為例，闡述科研引導(dǎo)型開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

太陽能作為取之不盡的能源，為全球的能源危機(jī)提供了有效的解決途徑。基于鐵電材料的反常光伏效應(yīng)在太陽能電池和光電傳感器等方面的潛能引起了科學(xué)家的極大興趣[4,5]。將鐵電光伏效應(yīng)這一前沿課題融入到開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以把最新的科研成果補(bǔ)充到傳統(tǒng)教學(xué)中，使教學(xué)內(nèi)容更具前沿性。實(shí)驗(yàn)采用溶膠凝膠法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備鐵電性能良好的Bi0.9Ce0.1FeO3薄膜，并研究其鐵電光伏效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用去離子水、丙酮和乙醇分別對(duì)FTO玻璃進(jìn)行超聲清洗，烘干后將事先配置好的SnO2水溶液旋涂在清洗好的FTO玻璃上，然后在150 ℃加熱30 min。將Bi (NO3)·5H2O、Fe(NO3)·9H2O和C6H9CeO6按照化學(xué)計(jì)量比溶于2-methoxyethanol中，攪拌至溶液澄清配制成0.5 mol/L的前驅(qū)體溶液。將此前驅(qū)體溶液旋涂到FTO/SnO2上，然后在馬弗爐中300 ℃煅燒10 min，550 ℃燒結(jié)50 min。最后，再蒸鍍一層的金電極。

制備的鐵電光伏器件利用太陽光模擬器和電化學(xué)工作站測(cè)試其光伏性能，太陽模擬器產(chǎn)生的照明強(qiáng)度為100 mW/cm2的模擬太陽光。并且通過薄膜兩側(cè)的電極施加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)鐵電極化，研究極化對(duì)光伏性能的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

基于Bi0.9Ce0.1FeO3薄膜的鐵電光伏器件的電流密度-電壓(J-V)關(guān)系曲線如圖1所示，圖中0 V表示未對(duì)Bi0.9Ce0.1FeO3薄膜進(jìn)行極化，1 V和-1 V分別表示施加正向1 V電壓進(jìn)行極化和反向1 V電壓進(jìn)行極化。為了比較，在黑暗中的J-V曲線也進(jìn)行了測(cè)試，圖中標(biāo)為Dark的曲線為暗電流，可以看出在無光照條件下幾乎沒有開路電壓和短路電流密度。與暗電流曲線相比，在光照條件下的J-V曲線(0 V)顯示出明顯的光伏響應(yīng)，開路電壓和短路電流密度分別為0.28 V和3.14 μA/cm2。接著開始比較極化后的光伏性能，如圖所示，在施加正向電壓極化后，開路電壓和短路電流密度分別增大到0.37 V和4.55 μA/cm2，而施加反向電壓極化后，開路電壓和短路電流均小于未極化的情況。

圖1 基于Bi0.9Ce0.1FeO3薄膜光伏器件的電流密度-電壓(J-V)關(guān)系曲線

圖2為短路電流密度隨時(shí)間變化的J-t曲線，測(cè)試光電特性隨時(shí)間的穩(wěn)定性。打開光源時(shí)(ON)，可以立即觀察到穩(wěn)定的光電流，當(dāng)關(guān)閉光源時(shí)(OFF)，光生電流隨即消失。從圖中可以看出，無論是否極化，光電流密度值都十分穩(wěn)定光，隨時(shí)間變化很小。而且不同極化情況下，光電流密度大小不同，與J-V曲線規(guī)律一致。

圖2 基于Bi0.9Ce0.1FeO3薄膜光伏器件的短路電流密度隨時(shí)間變化(J-t)關(guān)系曲線

鐵電極化對(duì)光伏性能的調(diào)控機(jī)理可以通過圖3來進(jìn)行解釋。未極化的情況如圖3(a)所示，Bi0.9Ce0.1FeO3薄膜和SnO2的界面處會(huì)形成的內(nèi)建電場(chǎng)Einf，光照后，光生電子空穴會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離，從而產(chǎn)生光電流。圖3(b)和圖3(c)分別為正向極化和反向極化后的機(jī)理圖，極化后內(nèi)建電場(chǎng)并不受影響，但是鐵電薄膜內(nèi)會(huì)形成退極化場(chǎng)Edf[6,7]。加正向極化電壓后會(huì)形成與內(nèi)建電場(chǎng)同方向的退極化場(chǎng)Edf，從而增強(qiáng)了光伏效應(yīng)。而加反向極化電場(chǎng)后，樣品的退極化場(chǎng)Edf與內(nèi)建電場(chǎng)相反，因此光電流密度變小[8]。

圖3 鐵電極化對(duì)光伏性能的調(diào)控機(jī)理圖

4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施與教學(xué)效果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施時(shí)分為課題調(diào)研、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析3個(gè)環(huán)節(jié)。課題調(diào)研是在老師的引導(dǎo)下閱讀文獻(xiàn)資料，了解實(shí)驗(yàn)任務(wù)和課題的研究進(jìn)展，學(xué)習(xí)課題的實(shí)驗(yàn)方法和理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)指導(dǎo)老師先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解和培訓(xùn)，然后在開放時(shí)間段，學(xué)生自主進(jìn)行操作，制備器件，測(cè)試性能。最后，通過分組討論，分析器件性能，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過本次開放實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)完整的科學(xué)研究過程，掌握了文獻(xiàn)檢索閱讀的方法，鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力。通過分組開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)得到了有效提升。在分析結(jié)論撰寫報(bào)告過程中，學(xué)會(huì)的數(shù)據(jù)處理的方法和科學(xué)論文的撰寫規(guī)范。

5 結(jié) 語

科研引導(dǎo)型開放實(shí)驗(yàn)將科研課題提煉轉(zhuǎn)化為本科生教學(xué)內(nèi)容，通過教師引導(dǎo)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、開放實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生科研的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識(shí)分析問題的能力，同時(shí)增強(qiáng)了基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)科學(xué)的交叉滲透，教授學(xué)生學(xué)以致用，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才具有重要的意義。