光伏发电的核心在于光伏电池对太阳能的直接转换。其本质是利用半导体材料的光生伏特效应，将太阳辐射能高效转化为直流电能。理解这一过程需深入微观世界，涉及光子、电子与半导体能带结构的精密互动。
一、 光生伏特效应的物理基础
当特定波长的太阳光子照射到光伏电池表面时，能量传递就此开始。光子携带的能量若高于半导体材料的禁带宽度，便能激发价带中的电子。
半导体内部的能量跃迁
- 电子受激跃迁：光子能量被电子吸收，电子从价带跃迁至高能量的导带。
- 电子-空穴对形成：电子离开后，在价带留下带正电的空穴，形成可移动的电荷对。
- 电荷分离关键：自由电子与空穴需被有效分离才能形成电流，避免复合。
(来源：美国可再生能源实验室, 2022年度光伏报告)
二、 PN结的核心作用
光伏电池的核心结构是PN结，由P型（富空穴）与N型（富电子）半导体紧密结合构成。其内部存在天然的内建电场。
电场驱动的电荷分离
- 内建电场方向：由N区指向P区，形成势垒。
- 驱动电荷运动：光生电子受电场力推向N区，空穴被推向P区。
- 阻挡复合：电场阻碍电子空穴跨越结区复合，实现高效分离。
- 电势差建立：电荷积累在两端形成光生电压。
三、 电能输出的完整链条
分离的电荷经外部回路流动，光能便转化为可利用的电能。金属电极与减反射层在此过程中扮演重要角色。
从电荷到可用电流
- 外电路连通：N区电极（负极）与P区电极（正极）接通负载形成回路。
- 电子定向流动：电子从N极流出，经负载做功后流回P极与空穴复合。
- 直流电产生：光照持续时，回路中形成稳定的直流电流。
- 效率影响因素：材料纯度、电池结构设计、光照强度及光谱匹配度均影响最终转换效率。
(来源：国际能源署光伏电力系统项目, 2023年技术报告)
四、 光伏电池的关键构成材料
主流晶硅电池依赖高纯硅材料。其晶体结构与掺杂工艺决定了电池性能基础。
材料选择与处理要点
- 硅材料主导：单晶硅与多晶硅因其平衡的性能与成本占据市场主流。
- 掺杂工艺：通过掺入磷（N型）或硼（P型）形成导电类型差异。
- 表面处理技术：减反射涂层可显著提升光子吸收率，减少反射损失。
- 金属化电极：收集电流的电极需兼顾导电性与遮光面积的平衡。
