本征激发（图片来源：作者自制）

在两种杂质半导体中，当然也有本征激发。也就是说在N型半导体中，也有空穴的存在，但是数量少于自由电子，这两种载流子中，数量多的我们叫它多子，少的叫做少子。在P型半导体中则相反。

N型与P型半导体的结合：“自带电场”的PN结

如果我们把两种杂质半导体连接起来，会发生什么呢？

N型半导体的电子多空穴少，P型半导体的空穴多电子少。这有点像两种不同溶液之间的混合，这边多数的电子会想跑到另一边，那边多数的空穴想跑到这边，这种行为叫做多子的扩散，但是这个扩散一开始就出现问题了。不知道大家玩过“贴树皮”的游戏没有，两人需要在规定时间内“贴”在一起，时间一到，没贴起来的人要被淘汰。

电子空穴也一样，它们不可能舍近求远，因此常常两种杂质半导体连接处的多子就直接“贴”了起来。要记得我们的两个半导体都掺杂了原子进去，整体是电中性的，我们只是画出了导带上的自由电子和空穴，下面还有原子核和内层电子呢。现在电子跑了，或者空穴被填充了，那这两块地方就会显示出电性。失去电子的N型半导体显正电性，失去空穴的P型半导体显负电性，这个结构就叫做PN结。

是不是听起来有点晕？下面这张示意图可以帮助大家直观地了解PN结的形成过程。

PN结 (图片来源：维基百科)

PN结形成后，其两端显不同的电性，进而形成一个从N指向P的电场。这个电场是自发形成的，我们可以叫它自建电场。这时候我们来看看少子的情况，少子和多子的电性是相反的，既然自建电场阻碍了多子的扩散，反而就促进少子运动到对面去了，这个过程叫少子的漂移。多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡的时候，这时候PN结就稳定形成了。

经过层层铺垫，我们知道了硅为何会被称为半导体，以及为何两种半导体拼接可以得到一个自带电场的结构——PN结。铺垫结束，该轮到光伏效应出场了！

最后的关键一步：把光打到PN结上

把太阳光打到PN结上，会发生什么呢？没错，是光伏效应。光伏效应的作用就是让那些已经成对的价带电子再次受到“诱惑”，并再次形成电子空穴对。实质就是我们前面讲的价带电子吸收了光的能量，能量变高，跃迁到了导带上。

光伏效应（图片来源：作者自制）

这些电子空穴受到自建电场的影响被扔到两边去，形成一个从P指向N的电场，这就是光生电场，方向与自建电场相反。此时外接一个回路，由于电势差的存在，回路中就产生了电流！至此，我们借由光伏效应和半导体把光能转化成电能的工作就大功告成了。

光伏电池内部（图片来源：作者自制）

光伏电池经过了近百年的发展，本文例举的这种无机半导体光伏电池是其中最为成熟的一类。除此之外，还有基于有机半导体材料的一些光伏电池，例如染料敏化太阳电池、一部分钙钛矿太阳能电池等。不管有机还是无机，这些光伏电池的基本原理都离不开我们介绍的各种半导体相关理论。

基于这些理论和材料的光伏电池虽然仍未到达它们的极限，但是总体的理论转换效率也不过30%，真实的转换效率也很难达到理论值。现在已经有研究人员开始探索基于新工作原理的光伏电池，例如载流子太阳电池、杂质光伏电池等等，他们希望能把光电转换效率提高到60%，甚至更高。对于仍然处于初级阶段的光伏产业，我们始终抱有巨大的信心，它可能是未来人类解决能源问题的重要选项。

参考文献：

[1] 黄海宾等. 光伏物理与太阳电池技术[M]. 北京：科学出版社, 2019