太陽能電池中發(fā)生光伏能量轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)化為電能有兩個必要的條件。其一，光源的照射，電池吸收光，從而產(chǎn)生電子-空穴對;其二，由半導(dǎo)體的器件結(jié)構(gòu)將電子-空穴對分開，并使電子流向負(fù)極、空穴流向正極，從而產(chǎn)生電流。以上兩點(diǎn)的發(fā)生，可以稱作光生伏打效應(yīng)。

具體來說。首先，我們知道，物質(zhì)都是由原子組成的，原子由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成。半導(dǎo)體材料處于穩(wěn)定狀態(tài)時，原子核和核外電子緊密結(jié)合。當(dāng)有外界激勵，例如光照射到器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子進(jìn)入硅中后，會在P區(qū)、N區(qū)以及耗盡層(空間結(jié)構(gòu)上等同于空間電荷區(qū))中激發(fā)出光生電子-空穴對。通俗來講，就是原子核和電子的結(jié)合力因光的刺激而降低，電子擺脫了原子核的束縛，成為自由電子。如下圖：

接下來，我們分析這三個區(qū)域產(chǎn)生電子-空穴對后，分別會有什么樣的變化。

以下圖為例：

耗盡層：當(dāng)電子-空穴對在耗盡層中產(chǎn)生后，由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場會立即把光生電子送向N區(qū)，將光生空穴推向P區(qū)。

N區(qū):當(dāng)電子-空穴對在N區(qū)中產(chǎn)生后，以N區(qū)和PN結(jié)的交界面來看，由于內(nèi)建電場的原因，交界面左側(cè)空穴濃度低，于是N區(qū)的光生空穴便向PN結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦達(dá)到PN結(jié)邊界，又會受到內(nèi)建電場的作用，在電場力的牽引下做漂移運(yùn)動，越過耗盡層進(jìn)入P區(qū)。而光生電子則留在了N區(qū)。

P區(qū)：當(dāng)電子-空穴對在P區(qū)中產(chǎn)生后，以P區(qū)和PN結(jié)的交界面來看，內(nèi)建電場導(dǎo)致交界面右側(cè)電子濃度低，從而使得P區(qū)的光生電子向PN結(jié)邊界做擴(kuò)散運(yùn)動，到達(dá)PN結(jié)邊界后，在內(nèi)建電場力的作用下做漂移運(yùn)動，越過耗盡層，最終進(jìn)入N區(qū)。同時，P區(qū)的光生空穴便留在了原地。

上述的三個運(yùn)動，會在PN結(jié)兩側(cè)形成正、負(fù)電荷的積累，在N區(qū)儲存大量的電子，在P區(qū)儲存大量的空穴。進(jìn)而形成了與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，如下圖：

光生電場使得P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，從而N區(qū)和P區(qū)之間就會產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏打效應(yīng)。當(dāng)電池接上負(fù)載R后，光電流就可以從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)。負(fù)載據(jù)此效應(yīng)就可以得到一定的功率輸出。

這里，我們可以解釋幾個常規(guī)的參數(shù)。

開路電壓(Uoc)：將上面PN結(jié)兩端開路，可以得到一個電動勢，我們稱之為開路電壓。晶體硅電池開路電壓的典型值為0.5-0.6V。

短路電流(Isc)：將外電路短路，則外電路中會有與入射光能量成正比的光電流流過，我們稱之為短路電流。通常來說，照射光的能量越大，電池表面積越大，產(chǎn)生的光生電子-空穴對越多，形成的電流就越大。實(shí)際情況中，各區(qū)中載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散和飄逸等運(yùn)動非常復(fù)雜，光生載流子必須在復(fù)合前穿過耗盡層，才能對光電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

填充因子(FF)：填充因子為太陽能電池的最大輸出功率/(Uoc*Isc)計算得來。FF的典型值為0.60-0.85，不會大于1。一般來說，該數(shù)值越大，電池性能越好、質(zhì)量越高。