所有的光伏转换设备都是通过吸收过程将光子转变为自由电荷载体的。光伏设备的核心是PN结，它通过对半导体掺杂形成，这在后面解释。PN结是半导体中目前最常见的光伏材料，首先由进入的光子激发产生价电子并跃迁到半导体导带，然后产生电子-空穴对。这些电子-空穴对在PN结现有电场的作用下分离，并在接触端聚集形成开路电压。这一过程被称为光伏。在染色电池和有机聚合物电池中过程更为复杂。太阳能电池工作过程与自由载流子在常规半导体PN结中的移动相反，因为电荷转移是通过电子空穴对或极化子实现的，而它们是一种束缚型电子-空穴对，像一个中性独立体或粒子。所谓激子是由共轭聚合物或染色系统中的光子吸收所导致，然后分离为自由电荷载体。在这两种情况下，设备设计必须能分离和收集电荷载体，同时使再结合最小化。目前所有的太阳能电池，无论半导体还是激子，都不能有效利用光子中剩余能量，也就是说，在采用半导体设备的情况下，光子的能量大于产生的带隙能量，或采用激子情况下，光子能量比可获得的激子能量大。光子给设备提供的能量不足就不能转换。解决这个问题的一种方法是生产多结器件，在每个结吸收不同的太阳光谱。若采用染色电池，对应解决方法是采用混合染料，每种染料对应光谱中的不同部分。一个新解决方法是利用量子点，但还没有商业化。它们是与可见光波长的尺寸同一个等级的微小质子，即几个纳米。它们提供了量子约束方法，通过增加质点的尺寸来控制材料的带隙，可以调整这些带隙以吸收不同波长的光。可以找到很多描述PV装置的优秀教材，由Martin Green[2]和Jenny Nelson[3]编写的两本教材值得我们去查阅。
晶体硅太阳能电池在陆地发电市场中占主要地位。在N型的一端用磷，在P型的一端用硼对硅进行适当掺杂形成半导体（二极管）结。电荷载体（电子和空穴）的自然扩散形成了结，在结点处电子-空穴发生重组，在N区留下不可移动的正施主原子形成一个层，在P区留下不可移动的负受主原子形成一个层，最后在PN结形成一个内电场。这通常被称为耗尽区（因为没有自由电子和空穴的存在）或者阻挡层（因为它是一个反向电场）。这些以及与由此造成的能带弯曲如图13.5所示。
在结点处形成电场是非常重要的，它能使通过光子碰撞形成的电荷载体在重组前远离结点向接触点移动。(www.xing528.com)
图13.5 硅片中具有能带弯曲的PN结点的形成
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