太阳能电池的发电原理本质上是利用半导体材料的光电效应，将太阳光（光子）直接转换为电能。以下是详细的分步解释：

核心物理原理：光电效应

当光子（太阳光的能量包）照射到半导体材料上时：

1. 光子能量传递：光子若携带的能量（(E = h\nu)，其中 (h) 是普朗克常数，(\nu) 是光的频率）大于半导体材料的禁带宽度（能隙 (E_g)），则会被半导体吸收。
2. 电子跃迁：吸收光子能量后，半导体价带中的电子获得足够能量跃迁至导带，成为自由电子，同时在价带中留下一个带正电的空穴。
3. 产生电子-空穴对：自由电子和空穴成对产生，形成可移动的载流子。

关键点：光子的能量必须高于半导体禁带宽度（如硅的 (E_g \approx 1.1 \, \text{eV})），否则无法激发电子跃迁（红外光效率低的原因）。

核心结构：PN结的作用

太阳能电池的核心是PN结（由P型与N型半导体结合而成）：

1. 内建电场形成：

   • P型半导体（掺入硼等三价元素）含大量空穴，N型半导体（掺入磷等五价元素）含大量自由电子。
   • 两者接触时，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，在交界处形成由N指向P的内建电场。

2. 分离电子-空穴对：

   • 当光生电子-空穴对靠近PN结时，内建电场将电子推向N区，空穴推向P区。
   • 电荷分离后，N区积累负电荷，P区积累正电荷，形成光生电压（开路电压 (V_{oc})）。

3. 电流输出：

   • 用导线连接P区和N区，电子从N区经外电路流向P区，与空穴复合，形成光生电流 (I_{ph})。

完整发电流程

1. 光吸收：太阳光穿透电池抗反射层，被半导体（如硅片）吸收。
2. 载流子激发：光子能量＞禁带宽度 → 产生电子-空穴对。
3. 电荷分离：内建电场将电子驱向N区，空穴驱向P区。
4. 电能输出：
   • 开路状态：PN结两侧形成电压（典型硅电池约0.5–0.7V）。
   • 闭路状态：连接负载后形成直流电流（电流大小与光照强度正相关）。

关键材料与设计

效率限制因素

1. 光谱损失：光子能量＜禁带宽度时无法吸收（如硅无法利用红外光）；光子能量过高时（紫外光）多余能量以热能形式耗散。
2. 复合损失：电子与空穴在分离前复合（缺陷或杂质导致）。
3. 电阻损失：电极接触电阻、半导体体电阻。
4. 理论极限：单结太阳能电池（Shockley-Queisser极限）最高效率约33%，实际商用硅电池约15–22%。

技术演进方向

• 叠层电池：多层不同禁带宽度的材料（如钙钛矿/硅叠层），拓宽太阳光谱吸收范围（效率可达30%+）。
• 钝化技术：减少表面缺陷（如PERC电池），降低载流子复合。
• 新结构设计：异质结（HJT）、隧穿氧化层（TOPCon）等提升电压与效率。

总结

太阳能电池通过半导体PN结的光电效应，将太阳光的能量直接转化为直流电能：光子激发电子-空穴对 → PN结内建电场分离电荷 → 外部电路形成电流。其核心依赖于材料的光吸收特性、载流子分离效率及界面工程设计。随着技术进步，光电转换效率正逐步逼近物理极限，推动太阳能成为主流清洁能源之一。