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當光照射到PN結上時，PN結區會產生電子-空穴對，結區中的部分非平衡載流子將以復合的形式湮滅，沒有參與復合的非平衡載流子則在PN結區電場的作用下進行輸運：電子進入N區，空穴進入P區，因此N區中過剩的電子和P區中過剩的空穴在PN結附近形成與內建電場相反的光生電場。光生電場除了部分抵消內建電場外，還在在N區和P區之間產生額外電勢，即光生伏特效應(Photovoltaic effect)，光生伏特效應是太陽能電池工作的基本原理。
PN結型光電二極管是一種最常見的太陽能電池結構。光電二極管的設計通常可以達到特定的光譜響應或快速響應，而太陽能電池的設計主要是最大限度地減少能量損失。盡管在設計上有所差別，但是太陽能電池的電流-電壓特性與光電二極管的電流電壓特性較為類似（如圖1所示）。如果工作區間位于第四象限，則光能轉換成電能，并貯存于器件內部。
圖1 光電二極管電流-電壓關系圖
為了有助于分析太陽能電池的工作工程，可將圖2第四象限中的電流-電壓特性進行如圖1所示的處理，相關電池參數的定義如下：
Voc：開路電壓，即太陽能電池可提供的最大輸入電壓；
Isc：短路電流，即太陽能電池的可提供的最大電流；
Vm，Im：產生最大輸出功率時對應的電壓和電流值；
Pmax: 太陽能電池最大輸出功率，且Pmax=Im Χ Vm，并小于Isc ΧVoc；
FF：占空因子(filling factor)，且FF=Pmax/Isc ΧVoc=Im ΧVm/Isc ΧVoc <1,
η：能量轉換效率(power conversion efficiency)，且η= Pmax/Pin= Im ΧVm/Pin=FF Χ Isc ΧVoc/Pin, 其中Pin是單位時間內的入射光子能量或輸入功率。
圖2 太陽能電池的電流-電壓關系圖
參考文獻：S. M.Sze and Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Device, 3rd Edition.
丁同