太阳能电池的发明，依赖于法国物理学家亚历山大·埃德蒙·贝克勒(1820-1891年)发现的一种称为光伏效应的现象。它与光电效应有关，光电效应是当光线照射到导电材料上时，电子会从导电材料中弹出。阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955年)因成功运用当时新的量子原理，来解释这一现象而获得1921年诺贝尔物理学奖。
与光电效应不同，光伏效应发生在两个半导体板的边界处，而不是单个导电板。当光线照射时，没有电子被实际弹出。相反，它们沿边界累积以创建电压。当您用导电线连接两个板时，电流将流入导线中。
爱因斯坦的伟大成就，以及他获得诺贝尔奖的原因，是认识到从光电板块中喷出的电子的能量取决于频率，其大小为波长的倒数，而不是像波理论所预测的那样，取决于光强度(振幅)。入射光的波长越短，光的频率越高，射出的电子拥有的能量就越多。同样，光伏电池对波长敏感，在光谱的某些部分对阳光的反应比其他部分更好。
光电效应原来图
太阳能波长对电子能源的影响
爱因斯坦对光电效应的解释有助于建立光的量子模型。每个光束，称为光子，都是由振动频率决定的特性能量。光子的能量(E)由普朗克定律计算出：
E = hf，
其中 f 是频率，h 是普朗克的常数(6.626 × 10^(–34) 焦耳∙秒)。尽管光子具有粒子性质，但它也具有波的特性，对于任何波，其频率是其波长的倒数(此处用w表示)。如果光速为 c，则 f = c/w，可以修改普朗克定律：
E = hc/w
当光子在导电材料上碰撞时，它们与单个原子中的电子碰撞。如果光子有足够的能量，它们就会驱逐原子最外层中的电子。然后，这些电子可以自由通过材料循环。根据入射光子的能量，它们可能从材料中完全弹出。
根据普朗克定律，入射光子的能量与其波长成反比。短波长辐射占据光谱的紫色端，包括紫外线辐射和伽马射线。另一方面，长波长辐射占据红端，包括红外辐射、微波和无线电波。
阳光包含整个光谱的辐射，但只有波长足够短的光才会产生光电效应或光伏效应。这意味着一部分太阳光谱的光子可用于发电。可见，光伏发电与阳光的明暗程度无关，只要有足够短的波长光就能满足发电要求。众所周知，高能紫外线辐射可以穿透云层，在多云天，意味着太阳能电池应也能发挥作用，事实上也是如此。
功函数和带隙
光子必须具有最小能量值，以激发足够的电子，使其脱离轨道，并允许它们自由移动。在导电材料中，这种最小能量称为功函数，并且每种导电材料都不同。与光子碰撞释放的电子的动能等于光子的能量减去功函数。
在光伏电池中，采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。在实践中，通常使用单晶体材料(如硅)，并使用不同的化学物质掺杂来制造这种结。例如，用硅晶体掺杂少量锑元素形成N型半导体，用硅晶体掺杂少量硼形成了P型半导体。被撞击出轨道的电子聚集在PN结附近，并增加了穿过PN的电压。将电子撞击出轨道并进入传导带的阈值(临界值)能量称为带隙，它类似于功函数。
最小波长和最长
要想在太阳能电池的PN结中产生电压，入射辐射必须超过带隙能量。对于不同的材料，这是不同的。对于硅来说是1.11电子伏特，它是太阳能电池最常用的材料。一电子伏特 = 1.6 × 10^(-19 )焦耳，因此带隙能量为 1.78 × 10^(-19) 焦耳。重新整理普朗克( Plank) 方程，求解波长，就可告诉您对应于此能量的光的波长:
w = hc/E = 1110 纳米(1.11 × 10^(-6) 米)
可见光的波长在400至700纳米之间，因此硅太阳能电池的带宽波长在接近红外波段。任何波长较长的辐射，如微波和无线电波，都缺乏从太阳能电池发电的能量。
太阳能发电原理简图
任何能量大于1.11 eV 的光子都可以将电子从硅原子中驱逐出，并将其送入传导带。然而，在实践中，极短波长的光子(能量超过3 eV)将电子从传导带中释放出来，使它们无法正常形成可控的电流。太阳能电池板的光电效应能否获得有用的波长阈值，取决于太阳能电池的结构、其构造中使用的材料和电路特性。
太阳能波长和电池效率
简而言之，只要波长高于用于制造光伏电池的材料的带隙，光伏电池对整个光谱的光很敏感，但波长极短的光被浪费掉，这是影响太阳能电池效率的因素之一。另一个是半导体材料的厚度，如果光子必须在材料中长距离传播，它们会因与其他粒子的碰撞而失去能量，并且可能没有足够的能量来驱逐电子。
影响效率的第三个因素是太阳能电池的反射率。一定比例的入射光从光伏电池表面反射，从而不会与光伏电池材料内的电子相接触，丧失了撞击电子机会。为了减少反射率的损失并提高效率，太阳能电池制造商通常为电池涂上非反射、吸收光的材料。这就是为什么太阳能电池通常是黑色的原因。
责任编辑：肖舟
