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伏忠坤新蟲 (小有名氣)
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【交流】太陽能電池原理新解 已有24人參與
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Sample TextSample Text 太陽能電池原理新解 本文談的是原理，所以，就從pn結(jié)示意圖開始吧！  上圖為pn結(jié)示意圖。當(dāng)我們把中性區(qū)域延長如下圖，絲毫不影響對pn結(jié)的分析。  再把圖二所示的圖形變形彎曲如下圖，你發(fā)現(xiàn)了什么？  圖三既可以說是pn結(jié)示意圖的變形，更可以說它就是電偶示意圖！�。� 可見，平時討論學(xué)習(xí)的pn結(jié)，就是地地道道的電偶！是由p型材料和n型材料構(gòu)成的電偶！包括二極管和pn結(jié)太陽能電池！只不過這種電偶的兩個結(jié)相距太近，一般在500微米以下，其中一個結(jié)是整流接觸，一個結(jié)是歐姆接觸。（下文對這兩個結(jié)的稱呼分別為整流結(jié)和歐姆結(jié)） 現(xiàn)在就很容易理解，同為pn結(jié)，為什么二極管沒有輸出，太陽能電池有輸出。是因?yàn)榄h(huán)境溫度作用于二極管（電偶）時，對兩個結(jié)的作用完全一樣，兩個結(jié)之間沒有溫差。而光線作用于太陽能電池（電偶）時，光子只作用于其中一個結(jié)----整流結(jié)。（從太陽能電池的結(jié)構(gòu)可知） 我的觀點(diǎn)：現(xiàn)在教材上解釋pn結(jié)太陽能電池的原理是錯誤的！ 如果一個觀念是錯誤的，反駁的方法有兩種，一是找到它自相矛盾的點(diǎn)，使其不能自圓其說！二是做出與之對立的實(shí)驗(yàn)！ 那么，教材上解釋pn結(jié)和pn結(jié)太陽能電池的原理的知識中，自相矛盾的點(diǎn)在哪里呢？ 教材上的遺憾---------- 對于任何一個由不同材料構(gòu)成的閉合回路中，自建電場的矢量和為0！所以，在二極管和pn結(jié)太陽能電池內(nèi)部，有兩個自建電場，一個是整流結(jié)，一個是歐姆結(jié)。這兩個自建電場不僅僅是反向相反，而且勢壘高度相等。但是，教材上分析pn結(jié)的時候（二極管和pn結(jié)太陽能電池），只分析了一個自建電場（整流結(jié)），沒有分析另一個自建電場（歐姆結(jié)），只介紹了如何制作歐姆接觸和歐姆接觸的原理，我們應(yīng)該很清楚的知道，歐姆接觸只是改變了此結(jié)對電動勢的阻礙程度，并沒有改變勢壘高度，載流子通過此結(jié)時，必定存在相應(yīng)的動勢能變化，忽略這一點(diǎn)，是不合理的！ 在二極管中，外因?qū)е碌募ぐl(fā)以熱激發(fā)為主，二極管沒有輸出的理由是…..費(fèi)米能級持平，動態(tài)平衡 在太陽能電池中，外因?qū)е碌募ぐl(fā)以光子激發(fā)為主，有輸出的理由是……費(fèi)米能級分離 （教材上對這二者的具體解釋不再贅述） 顯然，如果事先知道激發(fā)的條件，可以判斷載流子是被誰激發(fā)的，反過來，我們不可能從已經(jīng)激發(fā)的載流子身上分辨出來它們是被誰激發(fā)的。換言之，被激發(fā)的載流子身上不可能攜帶激發(fā)源的信息，不管載流子是被誰激發(fā)的，激發(fā)之后有且應(yīng)該只能有相同的行為特性。 問題： 1. 二極管和太陽能電池同為pn結(jié)，外因激發(fā)的載流子本身又不可能因激發(fā)源不同而不同，那么，為什么二極管中因熱激發(fā)的載流子要被平衡，太陽能電池中因光激發(fā)的載流子卻要積累輸出呢？ 2. 如果我問你“在一個pn結(jié)內(nèi)，有一個自由電子擴(kuò)散到自建電場中， 被掃向n區(qū)，請問這個電子是要被平衡掉呢，還是要形成積累呢？” 3. 如果我問你“在太陽能電池中，有兩個電子，一個是被熱激發(fā)的，一個是被光子激發(fā)的，同時被掃向n區(qū)，n區(qū)如何對待這兩個電子？？？ 除非pn結(jié)和載流子有思維能力，否則，很難自圓其說！ 如果用電偶的知識分析一下太陽能電池，結(jié)果會讓人大吃一驚！ 通過上面示意圖的變形，可以肯定太陽能電池是一個電偶，如果有電流流過，兩個結(jié)都會參與到能量轉(zhuǎn)移中，這是電偶的常識，是必然的，是驗(yàn)證的！而教材上的分析是能量的轉(zhuǎn)化只與自建電場（整流結(jié)）禁帶寬度和負(fù)載等有關(guān)，與另一個自建電場（歐姆接觸）無關(guān)，是推理的，是沒有驗(yàn)證的。足以見得，教材的分析是錯誤的�。� 我對太陽能電池的原理的分析是這樣的： 應(yīng)該從三個方面考慮，一是載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。二是兩個自建電場對載流子的作用，三是p型材料和n型材料的功函數(shù)不相同，這也會對載流子產(chǎn)生影響。 載流子的產(chǎn)生與復(fù)合： 1 在整流接觸結(jié)區(qū)域輻射入光子，產(chǎn)生自由電子---空穴對，自由電子在n區(qū)積累，空穴在p區(qū)積累。先分析一下能量，光子的能量分為了兩部分，一部分被電子吸收，吸收的量為禁帶寬度的值，大于禁帶寬度的部分因馳豫迅速變成了熱能。 2 電子和空穴因積累形成電動勢，分別向歐姆接觸處運(yùn)動，到達(dá)歐姆接觸處時，電子與空穴復(fù)合，放出能量，變成了晶格的熱能。（根據(jù)電偶的常識，去掉金屬引線，不影響對電偶的分析。個人觀點(diǎn)-----加入金屬引線，不過是把一步復(fù)合放熱分兩步進(jìn)行罷了。示意圖如圖四）  由此得出結(jié)論：光子的能量分兩步全部變成了熱能，負(fù)載上的電能與光子的能量沒有直接關(guān)系！��！ 自建電場的作用： 載流子在歐姆接觸結(jié)是逆著電場力的方向運(yùn)行，故在此結(jié)吸熱，在整流結(jié)內(nèi)是順著電場力的方向運(yùn)行，故在此結(jié)釋放能量，這個能量就是負(fù)載上電能的來源！這也是電偶常識，在電偶中，定向運(yùn)動的載流子總是把一端的能量“搬運(yùn)”到另一端。在這里，載流子把歐姆結(jié)的熱能“搬運(yùn)”到了整流結(jié)，整流結(jié)把這能量變成了可以對外輸出的電能。 功函數(shù)的影響： P型材料和n型材料的功函數(shù)是不同的，這二者的差值應(yīng)該能反映這二者的能級差別，由此導(dǎo)致的能量變化應(yīng)該與自建電場的作用相反。 驗(yàn)證設(shè)想：制成一個如示意圖圖三的太陽能電池，用光子照射整流結(jié)，兩個結(jié)之 間的能量關(guān)系應(yīng)該如下：（等式右端正項(xiàng)表示釋放能量，負(fù)項(xiàng)表示吸收能量） 歐姆結(jié)： W=I*U1—I*U2 +I*U3 整流結(jié)（含負(fù)載）：W=W光功率—I*U1+I*U2—I*U3-------------（負(fù)載電阻為0時，U2為電池的內(nèi)壓降，負(fù)載電阻不為0時，負(fù)載壓降與電池內(nèi)壓降之和為U2） 式中： I= 光電流 U1= 禁帶寬度 U2=勢壘高度 U3= p型材料和n型材料的功函數(shù)之差。 W光功率---指電池吸收的光的功率，不包含反射和透射的光子。 我很遺憾地告訴大家，我沒有試驗(yàn)設(shè)備，也不具備實(shí)驗(yàn)條件。所以只有以上的驗(yàn)證設(shè)想，沒有試驗(yàn)結(jié)果。希望有驗(yàn)證能力的朋友們，驗(yàn)證一下，并將結(jié)果不吝相告，以正視聽�。ㄔ谶^去數(shù)月時間里，多方求人實(shí)驗(yàn)，未果。） 雖然還沒有驗(yàn)證結(jié)果，但是我依然很清晰的看到，太陽能電池的能量變化過程是----- 光----→-----熱----→-----電，而不是教材上分析的從光直接到電的過程。 下面這幅圖相信都很熟悉了，它就是能級分離圖，并以此來解釋太陽能電池的原理。  對于這幅圖，簡單地聊幾句。 1.只分析了一個自建電場，不全面。 2.找不到一點(diǎn)點(diǎn)必須由光子激發(fā)才能有輸出的理由。 說白了，人們對二極管和太陽能電池的原理分析，是基于既定的事實(shí)，反向推導(dǎo)一個看似合理的解釋罷了，未及本質(zhì)�；A(chǔ)物理知識中，類似的問題，不止此一處！ 本文的分析不會對現(xiàn)在的太陽能電池的相關(guān)計算有任何影響，但是，會對如何設(shè)計更高效的電池，帶來有益的影響。 我深信：正確的遲早會被公認(rèn)，而公認(rèn)的未必就正確！ 伏忠坤 2010 04 30 |
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