太阳能电池原理详解（光伏知识：太阳能电池工作原理）

太阳能电池工作原理是光生伏特效应，光生伏特效应简称为光伏效应，光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

太阳能电池的具体工作原理（光生伏特效应具体过程）如下：

当太阳光照射至半导体表面时，半导体内部N区和P区中原子的价电子通过光辐射获取超过禁带宽度的能量（电子能级从价带增加至导带），脱离共价键的束缚。由此，半导体内部产生非平衡状态的电子空穴对。若非平衡电子空穴对在半导体内复合，并恢复至平衡状态，则该半导体不能将吸收的光能转化为电能，其吸收的光能被自身损耗，不能对外发电。

因此，要实现光电转换的目的，需在半导体中电子空穴对复合以前，将电子与空穴分离，使二者不能在半导体内直接复合。

半导体电子与空穴分离可依靠PN结空间电荷区的“势垒”电场实现。半导体内电子空穴对被光激发产生后，立即被PN结内电场分离，电子被推向N区，空穴被推向P区，即N区具有过剩的电子，P区具有过剩的空穴，由此，PN结两侧产产生与“势垒”电场方向相反的光生电动势。

由此类具有PN结的半导体制作成太阳能电池并外接负载后，光生电流从P区经过负载流至N区，负载即可输出功率。

N型半导体是指自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，P型半导体是指空穴浓度远大于电子浓度的杂质半导体。当N型半导体和P型半导体接触时，在它们的交界处就出现电子和空穴的浓度差。此时，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。当N型半导体中的电子扩散到P型一边，N型半导体由于失去电子而带正电，P型半导体一边带负电。这样，就在接触界面处建立起了一个电场，被称为内建电场，其内电场方向由N区指向P区。

内建电场使N型半导体中的少数载流子会沿着与电子扩散方向相反的方向进行漂移运动。由于电子和空穴的电荷相反，所以多子扩散电流与少子漂移电流的方向正好相反。随着多数载流子的扩散运动不断进行，相应一边失去的电荷也就越多；同时内建电场也因此不断增强，因此反向少子漂移电流被不断增加；最终空间电荷区内载流子的扩散电流与漂移电流将达到动态平衡。

如下图所示，当太阳能电池受到太阳光辐射时，电池的光吸收层材料吸收光子，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子从价带顶被激发到导带底，使其形成自由电子（e-），由于物质整体上需要保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，即空穴（h+），这一对具有库伦束缚的电子空穴对被称为激子。

对于大多数光活性材料，如硅、钙钛矿等，它们的激子结合能小，在光吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，其中电子跃迁到激发态，进入LUMO能级，解除束缚的空穴留在HOMO能级，进而分离为自由载流子，其中未复合的自由电子通过电子传输层向阴极传输，最后被透明导电层收集；未复合的自由空穴通过空穴传输层向阳极传输，最后被金属电极收集，两极形成电势差。此时，若通过两端电极构成闭合回路，便可以在回路中形成电流。