太阳能电池的工作原理基于光伏效应（光生伏特效应），本质是将太阳光的光子能量直接转换成电能。以下是其核心步骤的通俗解释：

一、核心结构：PN 结半导体

太阳能电池的核心是一种半导体材料（通常是硅），内部人为制造了一个 “PN结”：

• P型半导体：掺入硼等元素，形成富含带正电的“空穴”（可理解为缺少电子）。
• N型半导体：掺入磷等元素，形成富含带负电的自由电子。
• PN结：当P型和N型半导体结合时，交界面处电子和空穴相互扩散，形成一个内建电场（方向由N区指向P区）。

二、发电过程详解

1. 光子入射：
   太阳光照射到电池表面，光线中的光子携带能量进入半导体层。

2. 光子激发电子-空穴对：
   光子能量若大于半导体的"带隙能量"（硅约1.1eV），会撞击束缚电子，使其脱离原子束缚成为自由电子，同时在原子原位置留下一个带正电的空穴。

3. 内建电场分离电荷：
   PN结的内建电场会推动自由电子向N区移动，空穴向P区移动：

   • 电子（⁻） → 被电场推向N型半导体一侧积累。
   • 空穴（⁺） → 被电场推向P型半导体一侧积累。

4. 形成电压与电流：
   电荷分离导致PN结两侧出现电势差：

   • P区 → 正电极（电势高）
   • N区 → 负电极（电势低）
     此时电池两端产生开路电压（约0.5~0.7V）。

5. 外电路输出电流：
   当用导线连接电池正负极（外部负载，如灯泡）时：

   • 电子从N区流出 → 经外电路做功 → 流向P区补充空穴。
   • 持续光照下，电子-空穴对不断产生、分离、流动，形成稳定的直流电流。

三、系统级工作流程

graph LR
    A[太阳光] --> B[光子撞击半导体]
    B --> C[产生电子-空穴对]
    C --> D[PN结内建电场分离电荷]
    D --> E[N区积累电子] 
    D --> F[P区积累空穴]
    E & F --> G[形成电池正负极电压]
    G --> H[外电路连通后输出电流]

关键补充

1. 能量匹配：
   只有能量足够的光子才能激发电子（红光至紫外波段有效，红外光效率低）。
2. 单电池电压低：
   单个硅电池电压约0.6V，需串联成组件（如18片串联≈12V）。
3. 系统转换：
   实际发电需搭配逆变器将直流电转为交流电，并接入电网或蓄电池。

总结

太阳能电池通过半导体PN结的内建电场，将光子能量转化为电子的定向移动，实现"光→电"直接转换。其核心在于光生载流子分离和电势差驱动电流，整个过程零排放、静默高效，是清洁能源的关键技术之一。