第3章中我们介绍过半导体p－n结，到讲完它的“暗I－V特性”结束。当时离它的光照下发电原理已经很近了。现在我们还是紧紧依托这个基础来讲清它。仍以硅片太阳电池为例。
暗条件下，半导体p－n结虽有内建电场却不会输出电流，也不会对外呈现电压，内建电场只起到驱动载流子漂移以平衡抵消p－n结两侧载流子互扩散的作用，正是它使得电流处处为零。内建电场区（空间电荷区、载流子耗尽层、或势垒区，多种叫法，意思是一个）的宽度仅有0．02～1μm，而且集中在掺杂较轻一侧。
光照条件下，太阳电池表面受光面附近将会有大量的非平衡载流子被光子激发产生。原先已达到平衡（Jdiff＝Jdrift）的p－n结现在会如何变化？我们以n型区朝光的结构为例来进行分析，如图4．2所示。先看漂移电流，漂移电流正比于载流子浓度和电场强度，电场强度来自p－n结两侧硅晶体点阵上的施主与受主离子，不因光生非平衡载流子而改变，而载流子浓度直接得到非平衡载流子的贡献，而且这个贡献十分可观——因为内建电场作用下的漂移依赖于少数载流子，它需从p区“抽取”电子，从n区“抽取”空穴，而平衡时它们都极少。第3章中我们曾作估算，一般光照条件下光生载流子浓度是它们的百万倍以上！（见3．5节）；再看扩散电流，它正比于载流子浓度梯度，光照由表及里，过程中有吸收衰减，所以p－n结上下附近的光生非平衡载流子浓度有一定梯度，叠加在原有平衡体系之上，电子和空穴都是这样，导致两者都由n区向p区扩散，这也就是载流子的光注入，引起的净电流很微小，与内建电场驱动的漂移电流相比可忽略。所以结论是：光照时p－n结及其附近光生载流子将被内建电场驱动而形成从n区向p区的电流，具体就是p区向n区的电子流加上n区向p区的空穴流；从另一个角度看，光激发电子空穴对本来有很高的概率就地复合消失，而内建电场及时地将它们分开了，分开的方式为向p－n结另一侧驱离其中一种载流子：在p区把电子驱到n区，在n区把空穴驱到p区，统一起来，都是驱走少数载流子。太阳电池在p区和n区外端都已制好金属接触，将它们导通连成回路后，上述电流就源源不断地流动起来了，只要有光！这就是光伏发电的原理，其核心动力是内建电场。
图4．2 光照下的p－n结及其发电原理示意图（为清晰起见，图中只画出光生少数载流子）。其中弧形带表示内建电场驱动的漂移跨越；弯曲虚线表示扩散运动(www.xing528.com)
细心的读者可能还存有一个疑问？p－n结自建电场跨度不过微米量级，何以能驱动形成宏观电流？作者提醒读者联想：人体心脏的搏动范围不过厘米量级，何以驱动全身血液循环？答案是心脏搏动的力量通过液体压强梯度被传递。内建电场这个光伏发电的心脏的驱动力则是通过浓度梯度来传递的：在n区，被内建电场源源不断推送过来的电子不断堆积，自然形成由内部向表面降落的电子浓度梯度；在p区，被内建电场源源不断推送过来的空穴不断堆积，自然形成由内部向背面降落的空穴浓度梯度；这种梯度下两种载流子都将由扩散机制循原方向继续流动。如此，两种机制分工合作：内建电场将载流子搬送堆积至其力所能及之处，接下来的输送由扩散完成；实际上在内建电场搬送载流子的入口处，也是由扩散将载流子输送过来……自然之精妙实令人难以言表！图4．3以光照下太阳电池载流子浓度分布与输运示意图来概括说明上述机制。
图4．3 太阳电池载流子浓度分布与输运示意图
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