太阳电池为什么可以把光能直接转换为电能？其物理基础是“光生伏打效应”。早在1839年，法国科学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔（Alexandre Edmond Becqurel，见图1.10）就发现，光照能使电解液中镀银的白金电极之间产生光生电压。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”[10]。简单来说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化，在不同的端面之间产生电动势差的一种效应。
结合量子力学，便可以更加科学地解释这个问题。量子力学认为，光具有波粒二象性。光以光子的形式传播，每个光子的能量只依赖于其频率，即光的颜色。当光与物质相互作用时，光子的能量被物质吸收并能激发物质中的电子跃迁到更高的能级，成为受激电子；这种现象的极端情况便是阿尔伯特·爱因斯坦发现的光电效应，即在高频光子照射下，金属内部的电子会吸收光子的能量，彻底地从表面溢出[11]。1921年，爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。然而，在大多数情况下，物质中的电子吸收光子的能量成为受激电子后，会很快地弛豫回基态，但是太阳电池具有pn结结构，使得受激电子在弛豫回基态前，被输运到外部电路。如果持续地接收光照，便可源源不断产生电流，驱动外电路中的负载。图1.11所示为伟大的物理学家爱因斯坦及其光电效应装置示意图、电路图。
图1.10 科学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔
图1.11 伟大的物理学家爱因斯坦及其光电效应装置示意图、电路图
a）伟大的物理学家爱因斯坦 b）光电效应电路图 c）光电效应装置示意图(www.xing528.com)
以半导体太阳电池为例，太阳电池将光能转换为电能的基本物理过程可以简述为：当太阳光照射到太阳电池上并被吸收时，其中能量大于电池吸收材料禁带宽度Eg的光子把价带中电子激发到导带上去，形成导带电子，价带中留下带正电的空穴，即电子-空穴对，通常称它们为光生载流子。导带电子和价带空穴在不停的运动中扩散到pn结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到电池的n型一侧，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在电池上下两面（两极）分别形成了正负电荷积累，产生“光生电压”。如果在电池的两端接上负载，在持续的太阳光照下，就会不断有电流经过负载。这就是太阳电池的基本工作原理，如图1.12所示[12，13]。
综上，太阳电池将光能转换为电能可概括为四个过程：①太阳电池吸收一定能量的光子；②光生载流子——电子-空穴对的产生；③电子-空穴对在复合前被内建电场分离；④电子、空穴分别被n型和p型的电极输送至外电路。
需要进一步提及的是：光的波粒二象性的应用主要涉及两类器件，一类是波动性的应用，即用于传递信息；另一类是传递能量，也即光的粒子性的应用。从传递信息角度来看，可利用光发射、放大、调制、加工处理、存储、测量、显示等技术和元件，构成具有特定功能的光电子学系统。例如，利用光纤通信可以实现迅速和大容量信息传送的目的。从传递能量的角度来看，可将光能转换成电能，或将电能转换成光能。前者主要应用便是太阳能电池，其作用小到可作为电子表和电子计算器的电源，大到可制成地面或空间光伏电站；后者则包含以电驱动的发光光源，如发光二极管（LED）照明等。由此可见，太阳电池作为一种传递能量的光电器件，主要是建立在光的粒子性基础上。
图1.12 太阳电池工作原理图
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