太阳能电池结构示意图（太阳能电池结构）

太阳能电池结构从电学的角度来看，我们使用的硅是中性的。过量的电子被磷中过量的质子所中和。丢失的电子(空穴)被硼中丢失的质子所中和。当空穴和电子在N型硅和P型硅的结处混合时，中性被破坏。所有的自由电子会填满所有的空穴吗？不会。如果是这样，那么整个准备工作就没有意义了。然而，在结处，它们确实混合形成了一个势垒，使得N侧的电子越来越难以到达P侧。最终会达到一个平衡状态，这样我们就有了一个分开两边的电场。光伏电池中的电场效应这个电场相当于一个二极管，允许(甚至推动)电子从P侧流向N侧，而不是相反。就像一座山。3354电子很容易滑下山坡(到N侧)，却爬不上去(到P侧)。这样，我们就得到了一个像二极管一样起作用的电场，在这个电场中，电子只能向一个方向运动。让我们来看看太阳照在电池上会发生什么。当光以光子的形式击中太阳能电池时，其能量将释放电子-空穴对。每个具有足够能量的光子通常恰好释放一个电子，从而产生一个自由空穴。如果这种情况发生在离电场足够近的地方，或者自由电子和自由空穴正好在其影响范围内，电场就会把电子送到N侧，把空穴送到P侧。这将导致电中性的进一步破坏。如果我们提供一个外部电流路径，电子将通过这个路径流向它们原来的一侧(P侧)，在那里与电场送来的空穴合并，在流动的过程中做功。电子的流动提供电流，电池的电场产生电压。有了电流和电压，我们就有了功率，功率是两者的乘积。光伏电池是如何工作的？我们的光伏电池能从阳光中吸收多少能量？遗憾的是，这里介绍的简易电池对太阳光能量的吸收率最多在25%左右，通常的吸收率是15%或更低。为什么吸收率这么低？可见光只是电磁波谱的一部分。电磁辐射不是单一的频率——，它是由一系列不同的波长(然后是一系列的能级)组成的。(关于电磁波谱的详细介绍，请参考狭义相对论的基本原理。光可以分成不同的波长，就像我们从彩虹上看到的那样。因为照射到电池上的光的光子能量范围很宽，所以一些光子没有足够的能量来形成电子-空穴对。它们只是穿过电池，就好像它是透明的一样。但是其他光子的能量很强。只有当33，354单位的某个能量为电子伏特(eV)时，这是由电池材料决定的(晶体硅约为1.1eV)，电子才能逃逸。我们称这个能量值为材料的带隙能量。如果光子的能量大于所需能量，多余的能量就会损失掉(除非光子的能量是所需能量的两倍，可以产生多组电子-空穴对，但这种影响并不重要)。仅这两种效应就会造成电池中约70%的辐射能损失。为了利用更多的光子，我们为什么不选择带隙低的材料呢？不幸的是，带隙也决定了电场强度(电压)。如果带隙太低，在增加电流(通过吸收更多的电子)的同时会损失一定的电压。记住，功率是电压和电流的乘积。最佳的带隙能量必须能够平衡这两种效应，对于由单一材料制成的电池，该能量大约为1.4电子伏特。我们还有其他能量损失。电子必须通过外部电路从电池的一边流向另一边。我们可以在电池底部镀一层金属，以保证良好的导电性。然而，如果电池的顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透明的导体，因此所有的电流都将丢失(在一些电池中，只有上表面而不是所有位置覆盖有透明导体)。如果我们只在电池两侧设置触点，那么电子到达触点需要很长的距离(对于电子来说)。

要知道，硅是半导体，电流传输性能还不如金属。它的内阻(称为串联电阻)相当高，高电阻意味着高损耗。为了尽量减少这些损耗，电池上覆盖了金属接触网，可以缩短电子的移动距离，只覆盖电池表面的一小部分。即便如此，有些光子还是会被网格挡住。网格不能太小，否则自身电阻会太高。在实际使用电池之前，还有其他几个步骤要执行。硅是一种有光泽的材料，这意味着它具有良好的反射性能。反射的光子不能被电池使用。为此，通过在电池顶部使用抗反射涂层，可以将反射损耗降低到5%以下。最后一步是安装玻璃盖板，玻璃盖板用于将电池与组件分开，以保护电池。光伏模块由多个串联和并联的电池(通常为36个)组成，以提供可用的电压和电流水平。这些电池放在一个坚固的框架里，正负极分别从后面引出，用玻璃罩密封。普通硅光伏电池的基本结构单晶硅并不是光伏电池使用的唯一材料。电池材料中也使用多晶硅，虽然这种方法生产的电池效率没有单晶硅电池高，但可以降低成本。另外还使用了无晶体结构的非晶硅，也是为了降低成本。使用的其他材料包括砷化镓、硒化铟铜和碲化镉。因为不同的材料有不同的带隙，所以它们似乎被“调谐”为不同波长或不同能量的光子。提高效率的一种方法是使用两层或多层具有不同带隙的不同材料。带隙较高的材料放在表面吸收能量较高的光子；而带隙较低的材料放置在下面以吸收能量较低的光子。这项技术可以大大提高效率。这种电池被称为多结电池，它们可以有多个电场。