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太阳电池是一种将光能直接转换成电能的半导体器件。它的基本构造由半导体的p-n结组成。本章主要以最常见的硅p-n结太阳电池为例，详细讨论光能转换成电能的情况。
半导体可以是单质，如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）等，也可以是化合物，如硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等，还可以是合金，如Ga x Al 1 -x As，其中 x 为0～1之间的任意数。许多有机化合物也是半导体。
半导体的许多电学特性可以用一种简单的模型来解释：硅的原子序数是14，所以原子核外面有14个电子，其中内层的10个电子被原子核紧密地束缚住，而最外层的4个电子受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，就会脱离原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电，空穴带正电。硅原子核最外层的这4个电子又称为价电子。硅原子示意图如图3-1所示。
在硅晶体中每个原子周围有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有两个价电子，形成稳定的8 原子壳层，硅晶体的共价键结构如图3-2所示。从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。一个电子从原子中逸出后留下了一个空位称为空穴。从相邻原子来的电子可以填补这个空穴，于是造成空穴从一个位置“移到”了一个新的位置，从而形成了电流。电子流动所产生的电流与带正电的空穴向相反方向运动时产生的电流是等效的。
图3-1 硅原子示意图
图3-2 硅晶体的共价键结构
自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的，但晶体中的情况就截然不同，孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能级，当孤立原子相互靠近，在规则整齐排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本来在孤立原子状态是分离的能级就要扩展，相互叠加，变成如图3-3所示的带状。
低温时，晶体内的电子占有最低的可能状态。但是晶体的平衡状态并不是电子全部处在最低允许能级的一种状态。根据泡利（Pauli）不相容原理，每个允许能级最多只能被两个自旋方向相反的电子所占据。这意味着，在低温下，晶体的某一个能级以下的所有可能的能态都将被两个电子占据，该能级称为费米能级（ E F ）。随着温度的升高，一些电子得到超过费米能级的能量，考虑到泡利不相容原理的限制，任何给定能量 E 的一个允许电子能态的占有概率可以根据统计规律计算，其结果是费米-狄拉克分布函数 f （ E ），即
式中， E F 称为费米能级，其物理意义表示能量为 E F 的能级上的一个状态被电子占据的概率等于1/2。因此，比费米能级高的状态，未被电子占据的概率大，即空出的状态多（占据概率近似为0）；相反，比费米能级低的状态，被电子占据的概率大，即可近似认为基本上被电子所占据（占据概率近似为1）。
导电现象随电子填充允许带方式的不同而不同。被电子完全占据的允许带称为导带，满带的电子即使加电场也不能移动，这种物质为绝缘体。在允许带情况下，电子受很小的电场作用就能移动到离允许带少许上方的另一个能级，成为自由电子，而使电导率变得很大，这种物质称为导体；所谓半导体，是有绝缘体类同的能带结构，但禁带宽度较小的物质。在这种情况下，满带的电子获得室温的热能，就有可能越过禁带跳到导带而成为自由电子，它们将有助于物质的导电。参与这种导电现象的满带能级在大多数情况下位于满带的最高能级，因此可将能带结构简化为图3-4。另外，因为这个满带的电子处于各原子的最外层，是参与原子间结合的价电子，所以又把这种满带称为价带。图3-4中省略了导带的上部和价带的下部。
图3-3 原子间距和电子能级的关系
图3-4 半导体能带结构和载流子的移动
一旦从外部获得能量，共价键被破坏后，电子将从价带跃迁到导带，同时在价带中留出电子的一个空位。这种空位可由价带中相邻键上的电子来占据，而这个电子移动所留下的新的空位又可以由其他电子来填补，也可看成空位在依次移动，等效于在价带中带正电荷的粒子朝着与电子运动相反的方向移动，称为空穴。在半导体中，空穴和导带中的自由电子一样成为导电的带电粒子（载流子）。电子和空穴在外电场作用下，朝相反的方向运动。由于所带电荷符号相反，故电流方向相同，对电导率起叠加作用。
当禁带宽度 E g 比较小时，随着温度上升，从价带跃迁到导带的电子数增多，同时在价带产生同样数目的空穴，这个过程叫电子-空穴对的产生。室温条件下能产生这样的电子-空穴对，并具有一定电导率的半导体叫本征半导体，它是极纯而又没有缺陷的半导体。通常情况下，由于半导体内含有杂质或存在晶格缺陷，使得作为自由载流子的（电子或空穴）一方增多，形成掺杂半导体，存在多余电子的称为n型半导体，存在多余空穴的称为p型半导体。
杂质原子可通过两种方式掺入晶体结构，一种方式是当杂质原子拥挤在基质晶体原子间的空隙中时，称为间隙杂质；另一种方式是用杂质原子替换基质晶体的原子，保持晶体结构有规律的原子排列，称这些原子为替位杂质。
元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族原子在硅中充当替位杂质，如1个Ⅴ族原子替换了 1个硅原子的晶格，4个价电子与周围的硅原子组成共价键，但第5个价电子却处于不同的情况。它不在共价键内，因此不在价带内。同时又被束缚于Ⅴ族原子，不能穿过晶格自由运动，因此它也不在导带内。可以推判，与束缚在共价键内的自由电子相比，释放这个多余电子只需较小的能量，比硅的带隙能量1.1eV小得多。自由电子位于导带中，因此被束缚于Ⅴ族原子的多余电子位于低于导带底的地方，如图3-5所示。
图3-5 Ⅲ、Ⅴ族杂质对应能态
这就在“禁止的”带隙中安置了一个允许能级。例如，把Ⅴ族元素[锑（Sb）、砷（As）、磷（P）]作为杂质掺入单元素半导体硅单晶中时，这些杂质替代硅原子的位置进入晶格点。它的5个价电子除与相邻的硅原子形成共价键外，还多余 1个价电子。与共价键相比，这个剩余价电子极松弛地结合于杂质原子。因此，只要杂质原子得到很小的能量，在室温下就可以释放出电子，形成自由电子，而杂质原子本身变成 1 价正离子，但因受晶格点阵的束缚，它不能运动。在这种情况下，掺Ⅴ族元素的硅就形成电子过剩的n 型半导体。这类可以向半导体提供自由电子的杂质称为施主杂质。n型半导体的能带结构如图3-6所示。
图3-6 n型半导体的能带结构
除了从这些施主能级产生的电子，还存在从价带激发到导带的电子。由于这个过程是电子与空穴成对产生的，因此，也存在相同数目的空穴。在n型半导体中，把数量多的电子称为多数载流子，将数量少的空穴称为少数载流子。
Ⅲ族杂质分析与上述类似，如将硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）作为杂质掺入时，由于形成完整的共价键上缺少1个电子，所以就从相邻的硅原子中夺取1个价电子来形成完整的共价键。被夺走电子的原子留下一个空位，成为空穴，结果杂质原子成为1 价负离子的同时，提供了束缚不紧的空穴。这种结合只要用很小的能量就可能破坏，而形成自由空穴，使半导体成为空穴过剩的p 型半导体，接受电子的杂质原子称为受主杂质。p 型半导体的能带结构如图3-7所示。在这种情况下，多数载流子为空穴，少数载流子为电子。另外，也有由于构成元素蒸汽压差过大等原因，造成即使掺入杂质也得不到n、p两种导电类型的情况。
图3-7 p型半导体的能带结构
1.n型半导体
如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷、锑等），由于磷的原子数目比硅原子少得多，因此整个硅晶格结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被磷原子所取代。由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子与相邻的4个硅原子结成共价键后，还多余1个价电子，这个价电子没有被束缚在共价键中，只受到磷原子核的吸引，所以它受到的束缚力要小得多，很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子，从而使得硅晶体中的电子载流子数目大大增加。因为5价的杂质原子可提供一个自由电子，掺入的5价杂质原子又称为施主，所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体（也称n型半导体），其示意图如图3-8所示。在这种n型半导体材料中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。空穴的数目相对于电子的数目是极少的，所以把空穴称为少数载流子，而将电子称为多数载流子。
图3-8 n型半导体示意图
2.p型半导体
同样，如果在纯净的硅晶体中掺入能够俘获电子的3价杂质，如硼（或铝、镓、铟等），这些 3 价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少 1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，这个空穴可以接受外来电子的填补。而附近硅原子的共有价电子在热激发下，很容易转移到这个位置上来，于是在那个硅原子的共价键上就出现了一个空穴，硼原子接受一个价电子后也形成带负电的硼离子。这样，每一个硼原子都能接受一个价电子，同时在附近产生一个空穴，从而使得硅晶体中的空穴载流子数目大大增加。由于3 价杂质原子可以接受电子而被称为受主杂质，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称p型半导体。当然，在p 型半导体中，除了掺入杂质产生的大量空穴，热激发也会产生少量的电子-空穴对，但是相对来说，电子的数目要少得多。对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。p型半导体示意图如图3-9所示。
图3-9 p型半导体示意图
但是，对于纯净的半导体而言，无论是n 型还是p 型，从整体来看，都是电中性的，内部的电子和空穴数目相等，对外不显示电性。这是由于单晶半导体和掺入的杂质都是电中性的缘故。在掺杂的过程中，既不损失电荷，也没有从外界得到电荷，只是掺入杂质原子的价电子数目比基体材料的原子多了或少了，因而使半导体出现大量可运动的电子或空穴，并没有破坏整个半导体内正负电荷的平衡状态。
1.多数载流子的扩散运动
如果将 p 型和 n 型半导体两者紧密结合，连成一体，导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为p-n结。在p-n结两边，p区内，空穴很多，电子很少；而在n区内，则电子很多，空穴很少。因此，在p型和n型半导体交界面的两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。
在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与那里的电子复合，从而使该处出现一批带正电荷的掺入杂质的离子；同时，在p区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的掺入杂质的离子。
在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，并与那里的空穴复合，从而使该处出现一批带负电荷的掺入杂质的离子；同时，在n区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的掺入杂质的离子。
图3-10 p-n结
于是，扩散的结果是在交界面的两边形成靠近n区的一边带正电荷，而靠近p区的另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为空间电荷区（也称耗尽区），这就是p-n结，如图3-10所示。在p-n结内，由于两边分别积聚了正电荷和负电荷，会产生一个由n区指向p区的反向电场，称为内建电场（或势垒电场）。
2.少数载流子的漂移运动
由于内建电场的存在，就有一个对电荷的作用力，电场会推动正电荷顺着电场的方向运动，而阻止其逆着电场的方向运动；同时，电场会吸引负电荷逆着电场的方向运动，而阻止其顺着电场方向的运动。因此，当p区中的空穴企图继续向n区扩散而通过空间电荷区时，由于运动方向与内建电场相反，因而受到内建电场的阻力，甚至被拉回p区中；同样n区中的电子企图继续向p区扩散而通过空间电荷区时，也会受到内建电场的阻力，甚至被拉回n区中。总之，内建电场的存在阻碍了多数载流子的扩散运动。但是对于p区中的电子和n区中的空穴，却可以在内建电场的推动下向p-n结的另一边运动，这种少数载流子在内建电场作用下的运动称为漂移运动，其运动方向与扩散运动方向相反。由于p-n结的作用所引起的少数载流子漂移运动最后与多数载流子的扩散运动趋向平衡，此时扩散与漂移的载流子数目相等而运动方向相反，总电流为零，扩散不再进行，空间电荷区的厚度不再增加，达到平衡状态。如果条件和环境不变，这个平衡状态不会被破坏，空间电荷区的厚度也就一定，这个厚度与掺杂的浓度有关。
由于空间电荷区内存在电场，电场中各点的电势不同，电场的方向指向电势降落的方向，因而在空间电荷区内，正离子一边电势高，负离子一边电势低，所以空间电荷区内两边存在一个电势差，叫做势垒，也称接触电势差，其大小可表示为
式中， q 为电子电量（-1.6×10 -19 C）； T 为绝对温度； k 为玻尔兹曼常数； n n 、 n p 分别为n型和p型半导体材料中的电子浓度； p n 、 p p 分别为n型和p型半导体材料中的空穴浓度。
当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子-空穴对，这种现象称为内光电效应（在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象是外光电效应）。半导体材料就是依靠内光电效应把光能转化为电能的，因此实现内光电效应的条件是所吸收的光子能量要大于半导体材料的禁带宽度，即
式中， hv 为光子能量； h 是普朗克常数； v 是光波频率； E g 是半导体材料的禁带宽度。
由于 c = vλ （其中 c 为光速， λ 是光波波长），式（3-3）可改写为
这表示光子的波长只有在满足了式（3-4）的要求时才能产生电子-空穴对。通常将该波长称为截止波长，以 λ g 表示，波长大于 λ g 的光子不能产生载流子。
不同的半导体材料由于禁带宽度不同，要求用来激发电子-空穴对的光子能量也不一样。在同一块半导体材料中，超过禁带宽度的光子被吸收以后转化为电能，而能量小于禁带宽度的光子被半导体吸收以后则转化为热能，不能产生电子-空穴对，只能使半导体的温度升高。可见，对于太阳电池而言，禁带宽度有着举足轻重的影响，禁带宽度越大，可转换成电能的太阳能就越少，它使每种太阳电池对所吸收光的波长都有一定的限制。
照到太阳电池上的太阳光线，一部分被太阳电池表面反射掉，另一部分被太阳电池吸收，还有少量透过太阳电池。在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对（称光生载流子）。这样形成的电子-空穴对由于热运动向各个方向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进 n 区，光生空穴被推进 p区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。p区中的光生电子也会向p-n结边界扩散，并在到达p-n结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下做漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。因此在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p区带正电，n区带负电，因此产生了光生电动势，这就是“光生伏特效应”（简称光伏效应）。
太阳电池是将光能转化为电能的半导体光伏元件，当有光照射时，在太阳电池上、下极之间就会有一定的电势差，用导线连接负载，就会产生直流电（如图3-11所示），因此太阳电池可以作为电源使用。
光电转换的物理过程如下。
（1）光子被吸收，使得在p-n结的p区和n区两边产生电子-空穴对，如图3-12（a）所示。
（2）在离开 p-n 结一个扩散长度以内产生的电子和空穴，通过扩散到达空间电荷区，如图3-12（b）所示。
（3）电子-空穴对被电场分离，因此，p区的电子从高电位滑落至n区，而空穴沿着相反方向移动，如图3-12（c）所示。
（4）若p-n结是开路的，则在结两边积累的电子和空穴产生开路电压，如图3-12（d）所示。若有负载连接到电池上，在电路中将有电流传导，如图3-12（a）所示。电池两端发生短路时的电流称为短路电流。
图3-11 太阳电池工作原理图
图3-12 光电转换的物理过程转换
典型的BSF晶硅太阳电池的结构如图3-13所示，其基体材料是p型硅晶体，厚度在0.18mm左右。通过扩散形成0.25μm左右的n型半导体，构成p-n结。在太阳电池的受光面，即n型半导体的表面，有呈金字塔形的减反射绒面结构和减反射涂层，上面是密布的细金属栅线和横跨这些细栅线的几条粗栅线，构成供电流输出的金属正电极。在太阳电池的背面，即p型衬底上是一层掺杂浓度更高的p + 背场，通常是铝背场或硼背场。背场的下面是用于电流引出的金属背电极，从而构成了典型的单结（n-p-p + ）晶硅太阳电池。
每一片晶硅太阳电池的工作电压为0.50～0.65V，此数值的大小与电池的尺寸无关。而太阳电池的输出电流则与自身面积的大小、日照的强弱及温度的高低等因素有关，在其他条件相同时，面积较大的电池能产生较大的电流，因此功率也较大。
图3-13 BSF晶硅太阳电池的结构图
太阳电池一般制成p + /n型或n + /p型结构，其中第一个符号，即p + 或n + 表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即n或p表示太阳电池衬底半导体材料的导电类型。在太阳光照射时，太阳电池输出电压的极性以p型侧电极为正，n型侧电极为负。