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伏忠坤

新虫 (小有名气)

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[交流] 【交流】太阳能电池原理新解已有24人参与

Sample TextSample Text
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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实践是检验真理的唯一标准

1楼2010-05-08 16:39:08

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gao9860

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首先很感谢小伏的新观点。也对，只是吧少数当成了多数，把支流扩大化了。没做好的电池，或二极管，你的理论能解释不少，但正常的二极管，太阳电池，不能这样解释。下面是我的一些解释，或许能让我们更清楚的了解太阳电池原理。  前面是引用你的话，后面是我的补充解释。

   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。
解释：环境温度作用于二极管时，激发的大都是浅施主，浅受主杂质原子，使其电离为自由导电电子或自由导电空穴，形成准费米能级，区别于本征费米能级。另外，标准的欧姆接触不是结，相当于一个电阻。电流正向流过，反向流过都有一定的损耗，只存在放热，不存在吸热。和我们平时说的导线一样，电流通过后发热。还有，光子也作用于你所说的欧姆接触，假定一部分产生自由空穴电子对，但由于高的电导率，很快符合掉，产生热能，很难作用于负载。

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？？？
   解释：对第一个问题，外因激发的自由载流子虽然本身不可能因激发源不同而不同，但我们知道热激发大都是零点几电子伏的浅能级杂质原子。但如果真让温度高到使本征激发占优势，此时的半导体已分不出掺杂和不掺杂的作用了，激发的电子空穴对会通过复合产生达到平衡，近似可以视作高电导的本征半导体了，整流结不复存在。对光激发来讲，低于带隙的激子激发态不能分离，因为束缚的电子空穴同生共死，对负载无用。而高于带隙的自由电子空穴激发，在整流结不消失的情况下，被电场分开，由于准中性区和欧姆接触的高电导性能，使其积聚在两个欧姆接触处。连接负载后，通过负载复合做功。
   对第二个问题，首先要保证存在pn结，强的高能热激发，磨平PN结，失去整流作用，舍去不考虑，低的热激发，是激子的话，无用，舍去。所以，有一个自由电子扩散到自建电场中，被扫向n区，在N区，电子占多数，空穴占少数，复合一小部分，积累一大部分。连接负载后，积累的一大部分通过负载复合掉，对负载做功。
   对第三个问题，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，只要是自由的，就会被电场扫向n区，n区公平对待这两个电子，公平复合公平积累。

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！！！
   解释：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，一小部分电子与空穴基于缺陷等条件，会复合，放出能量，变成了晶格的热能。一大部分要积累，连接负载后，通过负载做功复合。

  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。
解释：自由载流子在欧姆接触处准备顺着电场力的方向运行，连接负载后，愿望实现。但有一小部分因表面态的存在要在这里复合，还有很少一部分可能要在内建电场边界和积累区飘摇，不怎么吸热。