太阳能电池原理新解
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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
二极管和pn结太阳能电池)，只分析了相等。但是，教材上分析pn结的时候(
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
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，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
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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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