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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 【交流】太阳能电池原理新解
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伏忠坤

新虫 (小有名气)

[交流] 【交流】太阳能电池原理新解 已有24人参与

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                                              太阳能电池原理新解

本文谈的是原理，所以，就从pn结示意图开始吧！

上图为pn结示意图。当我们把中性区域延长如下图，丝毫不影响对pn结的分析。

再把图二所示的图形变形弯曲如下图，你发现了什么？

图三既可以说是pn结示意图的变形，更可以说它就是电偶示意图！！！
      可见，平时讨论学习的pn结，就是地地道道的电偶！是由p型材料和n型材料构成的电偶！包括二极管和pn结太阳能电池！只不过这种电偶的两个结相距太近，一般在500微米以下，其中一个结是整流接触，一个结是欧姆接触。（下文对这两个结的称呼分别为整流结和欧姆结）
      现在就很容易理解，同为pn结，为什么二极管没有输出，太阳能电池有输出。是因为环境温度作用于二极管（电偶）时，对两个结的作用完全一样，两个结之间没有温差。而光线作用于太阳能电池（电偶）时，光子只作用于其中一个结----整流结。（从太阳能电池的结构可知）
      我的观点：现在教材上解释pn结太阳能电池的原理是错误的！
      如果一个观念是错误的，反驳的方法有两种，一是找到它自相矛盾的点，使其不能自圆其说！二是做出与之对立的实验！
      那么，教材上解释pn结和pn结太阳能电池的原理的知识中，自相矛盾的点在哪里呢？
    教材上的遗憾---------- 对于任何一个由不同材料构成的闭合回路中，自建电场的矢量和为0！所以，在二极管和pn结太阳能电池内部，有两个自建电场，一个是整流结，一个是欧姆结。这两个自建电场不仅仅是反向相反，而且势垒高度相等。但是，教材上分析pn结的时候（二极管和pn结太阳能电池），只分析了一个自建电场（整流结），没有分析另一个自建电场（欧姆结），只介绍了如何制作欧姆接触和欧姆接触的原理，我们应该很清楚的知道，欧姆接触只是改变了此结对电动势的阻碍程度，并没有改变势垒高度，载流子通过此结时，必定存在相应的动势能变化，忽略这一点，是不合理的！
    在二极管中，外因导致的激发以热激发为主，二极管没有输出的理由是…..费米能级持平，动态平衡
    在太阳能电池中，外因导致的激发以光子激发为主，有输出的理由是……费米能级分离
   （教材上对这二者的具体解释不再赘述）
    显然，如果事先知道激发的条件，可以判断载流子是被谁激发的，反过来，我们不可能从已经激发的载流子身上分辨出来它们是被谁激发的。换言之，被激发的载流子身上不可能携带激发源的信息，不管载流子是被谁激发的，激发之后有且应该只能有相同的行为特性。
    问题：
1. 二极管和太阳能电池同为pn结，外因激发的载流子本身又不可能因激发源不同而不同，那么，为什么二极管中因热激发的载流子要被平衡，太阳能电池中因光激发的载流子却要积累输出呢？
2. 如果我问你“在一个pn结内，有一个自由电子扩散到自建电场中， 被扫向n区，请问这个电子是要被平衡掉呢，还是要形成积累呢？”
3. 如果我问你“在太阳能电池中，有两个电子，一个是被热激发的，一个是被光子激发的，同时被扫向n区，n区如何对待这两个电子？？？
除非pn结和载流子有思维能力，否则，很难自圆其说！

      如果用电偶的知识分析一下太阳能电池，结果会让人大吃一惊！
      通过上面示意图的变形，可以肯定太阳能电池是一个电偶，如果有电流流过，两个结都会参与到能量转移中，这是电偶的常识，是必然的，是验证的！而教材上的分析是能量的转化只与自建电场（整流结）禁带宽度和负载等有关，与另一个自建电场（欧姆接触）无关，是推理的，是没有验证的。足以见得，教材的分析是错误的！！
我对太阳能电池的原理的分析是这样的：
应该从三个方面考虑，一是载流子的产生和复合。二是两个自建电场对载流子的作用，三是p型材料和n型材料的功函数不相同，这也会对载流子产生影响。

载流子的产生与复合：
     1  在整流接触结区域辐射入光子，产生自由电子---空穴对，自由电子在n区积累，空穴在p区积累。先分析一下能量，光子的能量分为了两部分，一部分被电子吸收，吸收的量为禁带宽度的值，大于禁带宽度的部分因驰豫迅速变成了热能。
     2  电子和空穴因积累形成电动势，分别向欧姆接触处运动，到达欧姆接触处时，电子与空穴复合，放出能量，变成了晶格的热能。（根据电偶的常识，去掉金属引线，不影响对电偶的分析。个人观点-----加入金属引线，不过是把一步复合放热分两步进行罢了。示意图如图四）

由此得出结论：光子的能量分两步全部变成了热能，负载上的电能与光子的能量没有直接关系！！！
   
自建电场的作用：
      载流子在欧姆接触结是逆着电场力的方向运行，故在此结吸热，在整流结内是顺着电场力的方向运行，故在此结释放能量，这个能量就是负载上电能的来源！这也是电偶常识，在电偶中，定向运动的载流子总是把一端的能量“搬运”到另一端。在这里，载流子把欧姆结的热能“搬运”到了整流结，整流结把这能量变成了可以对外输出的电能。
功函数的影响：
       P型材料和n型材料的功函数是不同的，这二者的差值应该能反映这二者的能级差别，由此导致的能量变化应该与自建电场的作用相反。
验证设想：制成一个如示意图图三的太阳能电池，用光子照射整流结，两个结之
间的能量关系应该如下：（等式右端正项表示释放能量，负项表示吸收能量）  
欧姆结：         W=I*U1—I*U2 +I*U3      
整流结（含负载）：W=W光功率—I*U1+I*U2—I*U3-------------（负载电阻为0时，U2为电池的内压降，负载电阻不为0时，负载压降与电池内压降之和为U2）      
式中： I= 光电流  U1= 禁带宽度  U2=势垒高度 U3= p型材料和n型材料的功函数之差。
           W光功率---指电池吸收的光的功率，不包含反射和透射的光子。
   
      我很遗憾地告诉大家，我没有试验设备，也不具备实验条件。所以只有以上的验证设想，没有试验结果。希望有验证能力的朋友们，验证一下，并将结果不吝相告，以正视听！（在过去数月时间里，多方求人实验，未果。）
      虽然还没有验证结果，但是我依然很清晰的看到，太阳能电池的能量变化过程是-----
光----→-----热----→-----电，而不是教材上分析的从光直接到电的过程。
      下面这幅图相信都很熟悉了，它就是能级分离图，并以此来解释太阳能电池的原理。

对于这幅图，简单地聊几句。
      1.只分析了一个自建电场，不全面。
      2.找不到一点点必须由光子激发才能有输出的理由。
说白了，人们对二极管和太阳能电池的原理分析，是基于既定的事实，反向推导一个看似合理的解释罢了，未及本质。基础物理知识中，类似的问题，不止此一处！
     本文的分析不会对现在的太阳能电池的相关计算有任何影响，但是，会对如何设计更高效的电池，带来有益的影响。

我深信：正确的迟早会被公认，而公认的未必就正确！



                                                                                   伏忠坤   2010  04  30
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1楼 2010-05-08 16:39:08
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--八云--

专家顾问 (知名作家)

博览众家之长，终集百家之短
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洗洗睡吧，你说了这么多，绝大部分内容1961年的文献就已经分析的很清楚了。。。。。

如果你觉得教材不对，没啥的，挺多教材都不对，扔掉就是了，找原文献去看
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人原本是不死的，后来他创造了死亡，故而人们歌颂他。
40楼2015-05-21 23:14:51
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--八云--

专家顾问 (知名作家)

博览众家之长，终集百家之短
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引用回帖:
11楼: Originally posted by Solarize at 2010-05-09 08:15:59
能够说说二极管和太阳电池的本质区别吗？

想证明自己的推理正确，就需要更多的理论背景知识，这样大家才容易信服你的推理。仅仅是想迫使别人相信你的推理，是不会有作用的。

任何一个理论，要站住脚，都要 ...

pn junction solar cell只是太阳能电池中的一种

http://cleantechnica.com/2014/02 ... els-most-efficient/

点开网页上的那张画的乱糟糟的图，里面每一条曲线都对应一种不同的solar cell结构，只不过single pn结，tandem pn 结的占了不少条线，但是钙钛矿，量子点，有机solar cell等好多也都有不少工作的。

pn结太阳能电池的理论和计算，去看W Shockley, HJ Queisser - Journal of applied physics, 1961 ，Detailed balance limit of efficiency of p‐n junction solar cells，讲的很清楚。
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人原本是不死的，后来他创造了死亡，故而人们歌颂他。
41楼2015-05-21 23:19:33
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