太阳能电池的核心原理是光伏效应（Photovoltaic Effect），即某些半导体材料在吸收光能后能直接产生电流的现象。具体工作过程可分为以下几个步骤：

核心原理：光伏效应

当具有足够能量（大于半导体“禁带宽度”）的光子照射到半导体（如硅）上时：

1. 光子将能量传递给半导体原子中的价电子。
2. 电子获得能量后跃迁至导带，脱离原子束缚成为自由电子。
3. 电子离开后留下带正电的空穴（可视为正电荷载流子）。
4. 此时，半导体内部产生“电子-空穴对”。

关键结构：P-N结

太阳能电池由P型半导体（空穴多）和N型半导体（电子多）结合形成P-N结，这是发电的核心区域：

1. 内建电场形成：P型与N型半导体接触时，电子从N区扩散到P区，空穴反向扩散，在交界面形成正负电荷区（耗尽层），产生由N指向P的内建电场。
2. 分离电荷：光生电子-空穴对扩散到P-N结附近时，内建电场将电子推向N区，空穴推向P区。
3. 累积电荷：电子在N区积累，空穴在P区积累，形成电压差（电动势）。

工作流程

1. 光照吸收：太阳光照射电池板，光子穿透表面抗反射层进入半导体（通常是硅）。
2. 电子激发：光子能量≥硅禁带宽度（1.1eV）时，硅原子价电子跃迁形成电子-空穴对。
3. 电荷分离：P-N结内建电场迫使电子向N区移动，空穴向P区移动。
4. 形成电流：
   • N区积累负电荷（电子多），P区积累正电荷（空穴多），产生电压（约0.5-0.6V/单片硅电池）。
   • 用导线连接电池正（P区）负极（N区）后，电子经外电路流向P区与空穴复合，形成直流电流。
5. 能量输出：多片电池串联/并联组成太阳能板，提升电压与电流，输出可用电能。

关键材料与技术

• 半导体材料：单晶硅（效率18-24%）、多晶硅（15-20%）、薄膜（如碲化镉CdTe，10-15%）。
• 抗反射层：减少光反射损失（如覆盖氮化硅膜）。
• 金属电极：表面格栅状电极收集电流（需兼顾透光与导电）。

总结流程

光能 → 激发电子 → P-N结分离电荷 → 累积电压 → 外电路形成电流 → 输出电能

太阳能电池本质是一个能量转换器：直接将光子能量转化为电能，无需机械运动或化学反应，因此清洁无噪音。其效率受材料特性、光谱匹配、温度（高温降低效率）等因素影响，目前实验室最高效率已超47%（叠层电池），日常家用板效率约15-22%。