1876年，英国科学家威廉·格里尔斯·亚当斯（William Grylls Adams）和他的学生理查德·埃文斯·戴（Richard Evans Day）发现硒光电效应。与贝克雷尔的试验不同，这是一种固体光伏效应。
无论液体还是固体光伏效应，它们都与后来发现的PN结光伏效应机理一样。只是那时候，描述PN结光伏效应的能带理论还没有建立起来。
1940年，贝尔实验室的Russell Ohl在研究掺杂硅晶体的电学特性时，首次在P型（硼掺杂）与N型（磷掺杂）硅的界面处观测到光伏效应。随着PN结光伏电池的实用性日益提高，相应的理论也及时跟进。这些理论不但对PN结光伏效应，也笃信对其他固体光伏效应一样适用，但却对贝克雷尔的液体光伏效应三缄其口。因为贝克雷尔的光伏效应并不适用这一理论。
那么从光合作用到光伏效应，现代物理学关于电子受光子激发跃迁形成电子-空穴对的能带理论是否在准确描述这一现象？
多具串联的太阳能电池板关键词：光合作用、光伏效应、光电效应、核畸变。
正文：1940年，贝尔实验室的Russell Ohl在研究掺杂硅晶体的电学特性时，首次在P型（硼掺杂）与N型（磷掺杂）硅的界面处观测到光伏效应（photovoltaic effect）。这一现象与Heinrich Hertz于1887年发现的外光电效应（光电子发射效应）在机理上相似，但存在本质区别：光伏效应能量阈值较低，且没有电子逸出，而是在PN结两端产生正负电荷对，形成电势差。
现代物理学将这一现象描述为：价带上的电子被光激发跃迁到导带，形成电子-空穴对。这一理论基于量子力学的能带理论，并有光电效应实验和爱因斯坦光电效应方程的支持。然而，这些理论和实验仅描述了电子逸出和跃迁的状态，并未揭示其背后的原子核机理。本文尝试以这些理论为基础，探讨电子逸出和“跃迁”的原子核机制，从中探寻如何提高PN结光伏效应的效率。
从不同质的金属板受光照逸出电子的极限频率ν0不同，和光电子初动能与入射光频率有关，值得怀疑，是电子受激发逃逸，还是质子受干扰逸出电子？光电效应会否是光子闯入质子系电场干扰质子，引起电子逸出？
如果是光激发电子逸出，难以解释不同金属的电子逸出难度不同。尽管不同金属的自由电子能级结构存在差异，但电子对核电场的依附性，使电中性的光子不可能仅因频率具备，就能轻易驱离。因为电子在原子核产生的库仑场作用下，具有稳定的量子化能级结构。这是物质稳定性的基础。
现代物理学认为，被激发逃逸的是金属中的自由电子（即离域电子），而非内层束缚电子，因此不会影响物质的宏观性质。然而，持续不断的电子逸出，显然违背电荷守恒定律，也不符合静电场基本规律。
如果是光干扰质子，导致核电场紊乱，排出适量电子平衡电场，是否能更合理解释这一现象？这一假设也能更合理地解释极限频率的存在：只有当入射光频率足以克服电子云屏蔽效应时，光子才能深入核电场并干扰质子。因此，只有当入射光频率超过ν0，才会有电子逸出，并决定其初动能，而与光强无关。这与光电效应的实验观测一致。
质子与中子在强相互作用下结合，它们被外围电子严密护卫。这些电子由质子操控，中子对其影响很小。因此物质的稳定性是由质子电场的稳定性决定的，参与质子电场的电子很难被外界左右。但质子却及其随和，自然界中的电现象，正是质子极易受外界，如温度、光照、磁场、摩擦、碰撞等等影响，引起核电场发生畸变。这种畸变或称质子畸变或核畸变不仅会改变电子分布，也会将引起畸变的外能量转化为电荷随机释放。质子正是以其极强的应变能力维持着纷繁多变的自然界中原子核基本态不变。
现在回到PN结光伏效应：当磷(P)和硼(B)原子掺入本征硅晶体时，其价电子数差异导致电离形成P⁺或B⁻离子，结合电负性差异引发的键极化，分别产生库仑排斥与吸引效应，使晶格发生非对称畸变：P掺杂引起局部膨胀，B掺杂引起局部收缩，进而导致四面体键长与键角偏离理想sp³构型。并且，掺杂原子与硅原子的核电荷差异及其电离后电子分布的变化，导致掺杂类型依赖的局域静电场畸变。
这种结构畸变和静电场畸变会显著削弱电子云屏蔽效应，表现为局域电子云密度降低，导致核电场暴露程度增加，以及核电场的极化响应增强，使其更易受外部扰动影响。这就使较低频率的光子也能进入核电场。虽然其光子能量低于逸出功（不足以引发外光电效应），但其通过量子相干作用仍可引起核电场的亚原子尺度畸变。这种畸变经由瞬态极化场将光能转化为离域化电荷（光生电荷）。此即光伏效应的微观机理。
P区和N区的差异还表现在掺杂原子的质子数不同导致核周围局域电场差异，这种差异在光照下导致P型区和N型区的原子核电场畸变差异。包括价带电子数差异和这种差异与硅原子结合形成的共价键残缺差异。这些电学性质差异，决定了光照下 ，N型区（磷掺杂）的自由电子区成为N区光生电荷的驻留区，生成负光电荷。同样，P型区（硼掺杂）的空穴区，成为P区光生电荷的驻留区，生成正光电荷。
因PN结的极性阻隔（PN结固有的电荷极性选择特性），使P区和N区极性相反的电荷不能在PN结中复合，从而在结两端形成电位差。这就是PN结的光伏效应机制。
在光合作用的原初反应（光能的吸收与转换），和贝克雷尔的液体光伏效应中，我们看到，能带理论的电子-空穴对形成与分离机制并不能解释其中的光电现象，且对光伏效应现象的解释也显得牵强。本文提出的电子作用质子电场，即核畸变理论，能完美解释从光合作用到内、外光电效应的全部光电现象。
参考文献：
1、《关于光的产生和转化的一个试探性观点》爱因斯坦文集第一卷，商务印书馆, 1976年
2、《掺杂半导体中深能级缺陷的电子结构研究》克里斯·范德瓦勒， 诺伊格鲍尔，原载：“自然·材料” 2004年
3、《宽禁带半导体的缺陷能级与发光效率》 大卫·O·斯坎伦, 阿龙·沃尔什，原载：“先进材料” 2019年
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