1、课程思政目标
强化使命担当，坚定学生科技报国的信心决心；突出科学精神，培养学生求真务实的踏实学风。
2、知识和能力目标
以培养具备钙钛矿相关知识、科学思维、解决复杂工程问题能力的高素质创新型人才为目标。通过学习本实验课程，掌握并理解钙钛矿光伏材料的物性及其光伏器件的基本工作原理，具备钙钛矿太阳能电池设计、制备和性能评价的能力，并能对评价结果进行分析，优化迭代产品，形成产品设计生产的思维。
（1）具体知识目标
（1.1）掌握钙钛矿光伏材料的晶体结构、能带结构、光电性能等物性，理解钙钛矿材料的结构与光电性能的构效关系；
（1.2）掌握并理解光电转换原理和钙钛矿太阳能电池工作原理。
（2）具体能力目标
（2.1）具备设计和制备满足特定要求的钙钛矿太阳能电池的能力，并能对其进行性能评价；
（2.2）能对性能评价结果进行科学分析，并用于指导电池的优化迭代，形成解决复杂工程问题的思维和能力。
（1.1）钙钛矿光伏材料的晶体结构和能带调控
狭义钙钛矿光伏材料的化学分子式为ABX3，理想的晶体结构为立方对称型（图1a）。该立方晶体结构的稳定性与相关离子的尺寸密切相关，一般通过容差因子t和八面体因子μ衡量该结构的稳定性：
μ = RB / RX
RA、RB和RX分别对应A、B和X位离子的半径，当0.44 < μ < 0.90，0.9 < t < 1.0时，钙钛矿材料具有理想的稳定立方相结构。
A位离子对于带隙的影响主要在于其大小引起晶格的畸变。一般来说，离子半径增大，晶胞扩展，带隙变小，反之，则带隙增大。X位卤族离子的大小可以改变钙钛矿的晶格常数，在X位同时使用两种卤族离子并调控它们的比例，可获得一系列不同带边的材料（图1b）。
图1. 钙钛矿光伏材料的晶体结构(a)和能带调控(b)（引自Joule, 2018, 2(7): 1356）
（1.2）光伏特效应和钙钛矿太阳能电池
光伏特效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。当钙钛矿太阳能电池受到光照时，能量大于带隙的光子可激发钙钛矿层价带上的电子，使其跃迁至导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对，即光生载流子。光生载流子在内建电场的作用下，分别注入到电子和空穴传输层，最后经由两端工作电极收集，与外电路相连形成光电流，完成光能向电能的转换（图2a）。钙钛矿太阳能电池的常见结构如图2b所示。
图2. 钙钛矿太阳能电池工作原理(a)和常见结构(b)（引自Advanced Functional Materials, 2019, 29(47):1808843）
（1.3）钙钛矿太阳能电池的性能评价
钙钛矿太阳能电池性能的优劣主要取决于器件的光捕获能力和光生载流子的利用情况。前者主要与钙钛矿薄膜的带隙、厚度、质量有关，后者与电荷传输层和钙钛矿薄膜质量有关。电流密度-电压（J-V）曲线表征可直接评价太阳能电池的优劣并判断电池结构的种类，X射线衍射（XRD）表征可确定钙钛矿薄膜的晶体结构、成分并推测成膜质量，扫描电镜（SEM）表征可直观的显示钙钛矿薄膜的质量，紫外-可见吸收光谱表征可反映钙钛矿薄膜的光捕获能力并推测薄膜的成分和厚度。因此，合理运用这些表征手段并对结果进行分析可完成性能评价和方案优化迭代。
知识点：共 8 个
1. 钙钛矿晶体结构和能带结构
2. 钙钛矿成分与带隙的关系
3. 钙钛矿太阳能电池结构和工作原理
4. 钙钛矿太阳能电池设计
5. 钙钛矿太阳能电池性能的影响因素
6. 钙钛矿太阳能电池性能评价方法及其结果分析
7. 钙钛矿太阳能电池制备工艺
8. 相关设备的实操
1、实验教学内容和简要步骤
本实验课程将钙钛矿光伏材料的物性仿真计算、实验操作的场景流程虚拟与钙钛矿光伏器件性能评价相结合，既让学生对抽象晦涩的能带理论有了形象生动的认识，从而深入理解钙钛矿晶体结构与能带的关系；又让学生熟悉和了解一般本科生难以接触到的手套箱和物理气相沉积设备内钙钛矿太阳能电池制备等实际实验操作；还让学生通过性能评价完成产品的优化迭代，从而具备科学思维素养。总体的实验教学过程如图3所示，具体如下。
图3. 实验教学过程流程图
（1）课前自主学习
学生在实验前通过教材、实验指导书、教学视频等资源自主学习掌握钙钛矿太阳能电池相关理论知识。本虚拟仿真实验平台上含有实验目的、实验原理、实验简介、实验方法描述等相关知识点。
（2）钙钛矿光伏材料物性仿真模拟
通过开源软件的仿真模拟计算，并结合可视化技术，使学生掌握钙钛矿光伏材料的晶体结构、能带结构和钙钛矿太阳能电池工作原理，理解钙钛矿A、B、X位置不同离子对能带的调控。
（3）钙钛矿太阳能电池的设计和制备
根据实验给定的任务目标，结合前两个环节所掌握的知识和理论，学生自行设定钙钛矿光伏材料的配方，设计钙钛矿太阳能电池的结构，选择电荷传输层材料，在一定的工艺条件下完成电池的制备。
（4）钙钛矿太阳能电池性能评价
对制备完成的钙钛矿太阳能电池进行J-V曲线表征，根据结果，学生自行选择是否对钙钛矿薄膜进行深入表征。根据表征评价结果，学生可对相关环节进行修正或优化，完成电池的迭代，也可直接提交实验结果。
（5）实验报告提交和讨论
学生完成实验之后，进入实验报告环节。在实验报告中，学生可以看到每个实验步骤设定的详细参数及得分细节，实验报告中还会根据学生的得分情况给出相关的评价和指导，帮助学生解决实验中遗留的问题。本课程还设置讨论区，学生可在讨论区提出对实验的疑问或改进建议，课程团队负责解答。