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伏忠坤

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[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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实践是检验真理的唯一标准

1楼2010-05-08 16:39:08

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伏忠坤

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专业: 基础物理学

引用回帖:

Originally posted by Solarize at 2010-05-10 11:22:14:

很遗憾，你还没有理解什么是二极管。
不是光子没办法进入二极管内激发载流子，而是根本不需要。原因是二极管是电驱动，而太阳电池时光驱动。

pn 结是电偶又如何，本身热效应就非常弱，你一定要说它作用大 ...

首先，非常感谢您对这个问题的关注和对本人的指点！
电驱动与光驱动是针对应用说的。我要表达的是教材上解释太阳能电池的原理是错误的。
（而且你也没有解释为什么开路情况下有电压，为什么没有欧姆结吸热，仍然可以直接把光效应转为电效应。）
教材上解释的种种原因可以归结为一句：费米能级自动分离。如果您一定要我回答教材上的具体解释，那相当于背书。不如我谈一下我自己的理解：输出电压源于整流结自建电场对载流子的驱动。至于（为什么没有欧姆结吸热，仍然可以直接把光效应转为电效应）这样的观点，是基于从结果看，等效于从光直接到电的转换。
（pn 结是电偶又如何，本身热效应就非常弱，你一定要说它作用大，你给出个定量的说明啊！）
pn结的热效应本身就非常弱这一结论，是用什么实验单独验证的？
事实上，对于很多推导结果，都没有或者没有办法进行单独的独立的验证。比如，在解释二极管处于平衡状态时，有一个电流叫复合电流，我们没有办法设计一个方案，单独直接测试此电流的大小，因此这一结论也只能是从二极管没有输出这一既定的事实反向推导出来的，不管它听起来多么合理。
对于pn结的热效应究竟是大还是小，欧姆结究竟有没有吸热，你说的这些目前还只能是推导结果。在可以设计出方案进行此项测试时，干嘛还要抱定推导结果，而不进行试验呢？
您让我拿出结果来说明，的确应该如此。如果我有这个实验条件的话，我绝不会在此先嚷嚷，我也知道事实胜于雄辩这个道理啊。况且，基于同一事实的两种不同解释，唯实验可以定论！（定量说明文章中有）