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1、硅基太阳能电池原理摘要：本文通过对光电效应、半导体等相关物理知识的介绍，结合原理图，深入浅出地阐述硅基太阳能电池的基本工作原理。关键词：光电效应、半导体、光电板太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。在太阳能的有效利用当中，大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅基太阳能电池和薄膜电池，这里主要讲的硅基太阳能电池。下面是一种硅基太阳能电池板的图示：硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，
2、一般的半导体主要结构如下：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图：P型半导体中
3、含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。如下图：当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流
4、。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。如下图：由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图： 梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电
5、板。硅基电池的应用很广泛，现在的制作工艺也日益改善，如采用低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。总之，由于硅基太阳能电池的广泛实用，也推进着硅基电池的生产工艺和科学技术的提高，大幅度的提高了对太阳能的利用率，但其基本工作原理是不变的。2也是因为只有惯三律被大多数人接受后，才会完成它的历史使命，再改变为惯性一词。牛顿第一第二定律（以下简称牛二律）是惯三律的物体外部空间在均匀空间情况下的定律，是其推论，不再是惯性力学的核心公设性质的命题。 （一）广义惯性使牛顿力学进化 爱因斯坦独具慧眼，从司空见
6、惯的现象中及自由落体运动与质量因素无关的经验事实，总结出了等效原理，且明确与准确地说：物体的同一性质按照不同的处境或表现为惯性，或表现为重性（3第55页）。这个同一性就是广义惯性，这个处境就是空间。牛顿第二定律实质是其第一定律涵义的数学表达式。所以，广义惯性的发现，其革命意义是指动摇了牛顿第一定律的核心地位。广义惯性包含了牛顿惯性，所以，又是其进化。同时，也说明了需要建立一个取代牛二律的进化性质的核心命题系统的新力学理论。广义惯性又引出了两种空间及其区别的新问题。这个新问题困扰了爱因斯坦的一生，走了一大圈弯路后，在他晚年时，才看到了解决这个问题的曙光-物体具有空间的广延性（3第十五版说明），由
7、此广延性再往前走一步，就是2文说的空间及其区别的标志是其梯度值的有否。这说明还需要一个新的涉及空间的基本概念及与其相对应的原来等效原理所没有涉及到的新的经验事实：物体质量部分的压强梯度现象（注：在固态的具体物体内部，此压强梯度表现为胁强），也就是爱因斯坦的物体的空间广延性的具体体现。同时也引出了物体的非刚性及其具有内部空间结构的抽象性质（4第六章）。于是，万事俱备，只欠建立一个新的核心命题系统了。可以说，惯三律就是这个系统。广义惯性是由于把重性也归于同牛顿惯性一样的物体属性，所以，其革命意义也主要体现在重力方面。引力是对重力本质的错误认识。广义惯性与场概念把原来引力中的两个平权的物体分离开来：
8、一个是仅表现广义惯性的一般（非整体）物体；另一个是具有产生重力场的特殊性的中心物体。一般物体与中心物体之间已经没有力的关系了。但通过重力场（原来引力场与自转惯性离心力合成的重力场涵义需要改变）有能的关系（见此文的空间与能一节）。到此为止，广义惯性已经完成了其逻辑任务，即取消了引力及导出了中心物体的特殊性（当然也具有广义惯性的一般性）。这个特殊性的中心物体就是整体天体。于是，广义惯性与整体天体就构成了理论的内部逻辑性（也就是自圆其说）。广义惯性取消了惯性质量与引力质量的区别。当然，更没有质量的第三个属性-产生引力场。说重力场是特殊的空间，也有其对应的经验事实，即具有重力场的质量部分的天体，一般都
9、具有密度及压强（也有温度及磁场因素）与中心距离近似反比分布（中聚度）的现象。同时，其现象也表明了这个天体（中心物体）的特殊性。中聚度现象已经是整体性的一种体现。 （二）再看牛顿力学 为什么人们回避牛顿第二定律中的力（外力）的反作用力就是物体的惯性力的道理呢？就是因为把重力也当作外力（引力）时，物体本身没有反作用力-惯性力（重力加速度与物体质量的大小无关），这正是牛顿力学理论内部的不能自圆其说的地方，这也正是爱因斯坦所注意的地方。为了回避这矛盾性（无意识的），不得不让其外力担当广义的力的重任。力是物体加速运动的原因这一没有条件限制的观念，是牛顿力学最主要的思维定势。不管是相对的加速运动还是绝对的
10、加速运动，人们都在头脑中马上反映出来要乘上物体的质量，使力成为其运动的原因。于是，其直接错误后果就是把非牛顿惯性系内或重力场内的物体自由或有阻力的不自由的加速运动，也当作有外力（不包括阻力）正在作用之。之所以把非牛顿惯性系中的外力惯性力叫做虚构力，是说明牛顿力学中还有第二个观念：力是物体对物体的直接作用-这是作用方式力，但有的教材除了摩擦力外，把作用方式力几乎都归结于弹性力则是错误的。又从这第二个观念来看其外力惯性力时，真的不存在另一个物体来表现之，只得权宜称为虚构力。当把重力也当作外力时，发现确实有另一个物体（中心物体）与之对应，这可是真实的外力了。麻烦又出现了，这个引力是超距作用性质的力，
11、从作用方式力的观念角度来看时，又难理解了。为了让引力回复到可理解的直接作用性，又引起了从牛顿时代起至今的许多人去虚构在两个超距的物体之间飞来飞去的各种微粒子，以此物来担当引力成为直接作用性的重任。引力本来也是虚构力，还要为这虚构的东西再虚构一些东西，麻烦可就大了。因为凡是具有质量的物体都具有广义惯性，也可以说是万有惯性。之所以惯性力学在力学体系中占有主要及重要的地位，而其他属性（如弹性与磁性等）力学占次要地位，且以惯性力作为力的物理单位，也是由于其万有的原因。但作为表现广义惯性力的重力的空间（重力场）及场源物体（整体天体）可不万有。这两个角度分不开，还会认为重力（引力）万有，这又会回到为什么会
12、超距作用的难理解的怪圈。广义惯性使探索引力作用机制的研究方向成为毫无意义的方向，是徒劳无功的方向，因为引力本身是由牛二律的局限性而派生出来的虚构的力。 （三）再看广义相对论 爱因斯坦特有的知识结构（马赫哲学、狭义相对论、四维时空、光、场及黎曼几何），决定了他走上了一条充满荆棘的理论之路。马赫的功绩是看到了牛顿力学体系中有一个缺陷，就是物体的运动状态依参考系的不同而有所不同，于是，作为判断牛顿惯性运动的前提也就成为不确定的了（相对性）。不得已，马赫把现象世界的远处的恒星当作其绝对参考系了。马赫的错误就是把牛顿惯性定律中的物体的属性（保持性）与其运动状态问题混在一起了。爱因斯坦受马赫哲学的启发，又
13、发现了等效原理，但同时又继承了马赫的错误。被夸大为改变人们时空观念意义的四维时空，只不过是用运动（还是光运动）角度来规定空间的一种方法。规定有结构的空间可有各种方法，其各种方法是平权的。用什么方法来规定空间则取决于理论与实践的需要。如果去掉了光速的弯曲时空还有力学意义的话，与牛顿引力定律正是互为补充的关系本体性的场的描述：一个是以广义惯性运动的角度的描述；一个是以广义惯性力的角度的描述。而牛顿引力势所包含的空间意义，正是中心结构的非均匀空间（重力场）的经验性的描述。终究是描述，都不能代替核心命题性质的表述。没有明确的命题表述，其描述也就没有明确的理解前提。惯三律与广义相对论都以等效原理为其经验
14、基础。只不过爱因斯坦又走上了光速的等效原理之路。而光速的等效原理是由思维实验得来的，且唯一能验证其理论的星光在太阳附近偏转现象，爱因斯坦在具体计算其偏转角度时，实际上是非常谨慎地用惠更斯原理（5第23页）。而惯三律所依据的低速等效原理，连幼儿园里的儿童都可以感觉到坐滑梯时的加速度与坐汽车时的汽车加速度的区别，因其身体内有胁强的有否或大小之区别。战斗机飞行员已经体验了低速等效原理的所有内涵。所以，任何脱离与回避低速等效原理的力学理论，肯定是不会成功的理论，因为其现象普遍存在于客观世界，且与力学密切相关。爱因斯坦之所以对光情有独钟，也许是无意识的回避其理论中的一个内在矛盾：产生引力场的中心质量（中
15、心物体）必须很大，而体现弯曲时空（引力场）作用的物体必须很小且产生与不产生引力场无关紧要，这与引力中的两个平权的物体涵义是矛盾的。而光子正好是最小的物体，也就回避了这个矛盾。只有整体天体才产生重力场的结论，才可以解决这个矛盾。 引力波、黑洞与四种相互作用力的统一的课题，来源于爱因斯坦。引力已经不存在了，当然引力波也不存在了；如果重力场有边界，重力场就与电磁场不同，当然引力波也不存在了。如果以光线在重力场中弯曲的角度而导出的黑洞，黑洞不存在，因为光线在重力场中弯曲的原理不是由于引力；如果是由于弯曲时空原理而导出的黑洞，黑洞也不存在，因为本来弯曲时空是由光线的弯曲（光子的广义惯性运动）而规定出来的，反过来又认为光线的弯曲是由弯曲时空所造成的，这是什么逻辑？如果光线在重力场中有红移效应，那么，由此原理而导出的黑洞，黑洞有可能存在。引力都不存在了，也就无所谓四种相互作用力的统一的问题。目前的大统一理论仅剩下引力没有被统一进去，也正说明了这个问题。 经归纳的现象）再变为抽象层次的基本概念的过程，是人们最不习惯的过程，总不容易摆脱具象。之所以不习惯，其原因之一也是因为人们先有了原来理论的抽象及已经习惯了的思维方式，即使有了具象也看不到其抽象意义。而由抽象变为具象的过程，那可容易多了，但也往往具象出来客观世界不存在的东西。 从逻
