1.1.2 太阳能电池的工作原理
按照固体理论，晶体中的所有电子都具有一定的能量，每个电子具有的能量对应于能量坐标上的一个能级，能级从低到高依次排列。由于原子的内层电子受原子核束缚力较强，一般不参与导电，所以重点研究其最外层的价电子的能量状态。晶体中大量的电子按能级分布组成密集的能级带，称为能带。其中“价带”能级最低，“导带”能级最高。在温度为绝对零度时，绝大多数固态物质的价电子都被“冻结”充满于价带中，而价电子处于价带的物质呈现不导电的高电阻状态。随着温度升高和光辐射的作用，这些原本被“冻结”的价电子接收了外界的能量，便可跃迁到较高的能级中。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间的区域称为禁带。研究表明，固体中电子的能量不是连续取值的，所以能带也并不连续。要导电就要有自由电子存在，因此自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度，单位是电子伏特（eV）。如硅的禁带宽度为1.12eV，锗的禁带宽度为0.66eV，砷化镓的禁带宽度为1.46eV。一般情况下，禁带非常窄的物质是导体，反之是绝缘体。各种物质内在结构的不同，决定了它们各自的能带也不同。绝缘体、半导体和导体的能带图如图1-6所示。
图1-6 绝缘体、半导体和导体的能带图
a）绝缘体禁带非常宽 b）半导体禁带较窄 c）导体无禁带
微视频
能带
绝缘体禁带非常宽，在常温下，其绝大多数价电子都被束缚在价带中，不能参与导电，只有获得比禁带宽度对应的能量更高的能量，价电子才可跃迁到其导带中参与导电。导体无禁带，其价带和导带连接在一起，价电子可轻易进入导带，作为自由电子参与导电。在常温下，导体中的价电子几乎都会进入导带中。半导体禁带较窄，其特点是，处于价带中的价电子只要获得超过禁带宽度的能量即可跃迁到导带成为自由电子。
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合结构的不同部位之间产生电位差的现象。其工作原理如下：当光照射到半导体表面时，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子-空穴对。这些被光激发的自由电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量的自身损耗部分。因此，要实现光电转换的目的，就必须在自由电子和空穴复合之前把它们分开，这种分离作用靠PN结空间电荷区的内电场来实现。
微视频
太阳能电池的工作原理
PN结光生伏特效应的示意图如图1-7所示，当电子-空穴对在空间电荷区产生后，立即被内电场分离，自由电子被推向N区，空穴被推向P区。在N区中的电子-空穴对向PN结扩散时，一旦达到空间电荷区的边界，就立即受到内电场的作用，空穴被推入P区，而自由电子则被留在N区。P区中的自由电子则同样先扩散，后在内电场的作用下被推入N区，而空穴则留在P区。因此，在P区出现了过剩的空穴，在N区出现了过剩的自由电子，如此便在PN结两侧形成了正负电荷的积累，产生与内电场方向相反的光生电动势，也就是光生伏特效应。将半导体做成太阳能电池并外接负载后，光电流从P区经负载流至N区，负载即得到功率输出，太阳能便转换成电能。
图1-7 PN结光生伏特效应的示意图
动画
太阳能电池的工作原理
从上以分析可知，太阳能电池的关键就在PN结上，PN结就像一堵墙，阻碍着自由电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接收光能，向N区移动，使N区带负电，同时空穴向P区移动，使P区带正电。这样才使得PN结两端产生电势差，即电压。单晶硅太阳能电池的开路电压一般为0.6V左右，工作电压约为0.5V。