光生伏特效應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現(xiàn)象。

產生這種電位差的機理有好幾種，主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結為例說明。

熱平衡態(tài)下的P-N結同質結可用一塊半導體經摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質的激活能量ΔE很小，在室溫下雜質差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向對方擴散。設想在結形成的一瞬間，在N區(qū)的電子為多子，在P區(qū)的電子為少子，使電子由N區(qū)流入P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生復合，這樣在原來是N區(qū)的結面附近電子變得很少，剩下未經中和的施主離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區(qū)擴散到N區(qū)后，由不能運動的受主離子NA-形成負的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側產生不能移動的離子區(qū)（也稱耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內電場（稱內建電場）此電場對兩區(qū)多子的擴散有抵制作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等于漂移流時達到平衡，在界面兩側建立起穩(wěn)定的內建電場。

P-N結能帶與接觸電勢差：

在熱平衡條件下，結區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠離結區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關系與結形成前狀態(tài)相同。

從能帶圖看，N型、P型半導體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產生內建電場，內建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內建電場作用下，EFN將連同整個N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為EFN=EFP，載流子停止流動為止。在結區(qū)這時導帶與價帶則發(fā)生相應的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于N型、P型半導體單獨存在時費米能級之差：

qUD=EFN-EFP

得 UD=(EFN-EFP)/q

q：電子電量

UD：接觸電勢差或內建電勢

對于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)：

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni：受主、施主、本征載流子濃度。

可見UD與摻雜濃度有關。在一定溫度下，P-N結兩邊摻雜濃度越高，UD越大。

禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大。

光照下的P-N結

P-N結光電效應：

當P-N結受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產生光生載流子。但能引起光伏效應的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產生的光生空穴，N區(qū)產生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內建電場分離。這導致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產生一個與熱平衡P-N結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。

實際上，并非所產生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區(qū)中空穴在壽命τp的時間內擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命τn的時間內擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠大于P-N結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離L內所產生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產生的位置距離結區(qū)超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部復合掉，對P-N結光電效應無貢獻。

光照下的P-N結電流方程：

與熱平衡時比較，有光照時，P-N結內將產生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

令Ip=SE，則

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

開路電壓Uoc：

光照下的P-N結外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的U值：

0=I0eqU/KT - (I0+SE)

Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

短路電流Isc：

光照下的P-N結，外電路短路時，從P端流出，經過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時的I值，得Isc=SE。

Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對數(shù)關系，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關系。

a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導體有統(tǒng)一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。

b)穩(wěn)定光照下P-N結外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。

c)穩(wěn)定光照下P-N結外電路短路，P-N結兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內建電場分離后流入外電路形成短路電流。

d)有光照有負載，一部分光電流在負載上建立起電壓Uf，另一部分光電流被P-N結因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為q(UD-Uf)。