阳光怎样走完一条电路？

一颗光子照上电池，并不等于一份电流已经出现在导线里。光可能反射，也可能透过；被吸收以后，激发出的电荷还可能在被收集之前复合。即使成功向负载送出了电流，也不会把光子的全部能量都变成电能。

从整板走进一片电池

太阳能板把许多太阳能电池与导线封装在玻璃、封装材料及背面保护层之间。美国能源部的光伏技术介绍说明了从电池、组件到阵列的层级。主画面先展示一整板，再标出一片电池；金色连线是串联电路示意，不是对实际封装布线的逐层透视。

这个例子把 96 片性能相同、光照与温度相同的电池串联。在各片工作点不变时，整板电压与功率分别等于单片的 96 倍，回路电流与单片电流相同。改变片数时，外部负载电阻也按片数同比变化，因此保持每片的工作点；这不是把同一个固定用电器任意接到不同片数上。整板输出为直流，接入家庭交流系统还需要逆变器等设备，这里只画直流负载。

电池直接把吸收的光能转成电能，不需要先加热。相同光照下，把本模型的硅电池加热，最大电功率反而下降。主画面的整板在开路时仍有电压，外电流和负载功率为零；太阳能板也不会自动储存白天的电能。

先跟光子，再跟一对电荷

太阳能电池怎样把光的能量送给用电器？先看一次吸光，再跟住材料里出现的一对电荷。只有电路接通、条件合适时，才会向用电器持续送出电能；不是每一份阳光都能变成电。

光子能量由波长决定：

本模型中，25°C 硅的带隙是 1.121 eV。低于门槛的光子不能激发带间电子—空穴对。超过门槛的光子被吸收后，激发一对电荷；超过带隙的那部分能量，通过热化转移给材料。这里不包含多激子产生机制，所以更高能的光子不会凭空激发第二对电荷。美国能源部的光伏电池介绍解释了吸收、载流子产生与收集的基本过程。

截面画面挑选了一次确定发生的 800 nm 光子吸收事件。电子和空穴在同一位置同时出现，等量异号，总电荷仍为零。电子先扩散到结区，再受结区电场作用向前面的 n 接点移动。空穴向背面的 p 接点移动。电场箭头只覆盖耗尽区，并不意味着中性材料内部都存在同样的电场。

前接点通过导线、负载连回背接点。电子沿完整路线返回，空穴留在电池内，两者最终在同一接点位置复合。导线中标出的常规电流方向与电子运动方向相反。画面故意慢放这一对电荷：它不是微观飞行时间模拟，标记数量也不是电流的安培数。

负载和电池必须同意一个工作点

电学部分采用单二极管等效电路：光生电流源、二极管与并联漏电电阻共用两个节点，串联电阻连接到输出端。令结电压为 U：

a 是单个等效电池的理想因子与热电压之积。每个工作点都实际满足支路电流守恒，不是把一条画好的曲线随滑块平移。外部电阻还要求 V = IR，因此负载直线与电池曲线的交点，决定实际电压和电流。浅色矩形面积代表 P = VI，空心点则是独立数值搜索出的最大功率点。电路与符号约定来自 Sandia/NIST 单二极管模型。

开路时，电池有端电压，却没有外电流。理想短路时，电流很大，负载端电压却为零。两种状态向外部负载输出的功率都为零。电池内部仍可能存在复合、漏电或串联电阻损耗，不能把“对外零输出”理解成“内部没有损失”。

固定温度和负载，增加照度会提高光生电流，使工作点移动；完全黑暗时，这个被动负载没有输出。升温则不同：在这组硅电池参数下，短路电流虽然略有增加，开路电压与最大功率却下降。辐照度与电池温度是两个独立输入，画面没有计算空气、天气和电池之间的热平衡。参数随温度与照度变化的规则采用 De Soto 模型。

一次改变一个原因

• 在“从电池到整板”中调节 1–96 片相同串联电池，比较总电压、回路电流与负载功率；再打开回路。
• 在“电路工作点”中调节负载，对比开路和短路，或匹配最大功率负载。若所需电阻超过支持的 10 Ω，匹配按钮不可用；暗态没有唯一的最佳负载。
• 进入“跟踪一对电荷”，用进程滑块沿接点和导线追踪电子，并切换电池内复合的路径。进入此视图会恢复参考照度、温度和固定 800 nm 的吸收事件，保持这条示意路径的含义一致。
• 进入“单色光门槛”，在相同入射瓦数下改变波长。能量不同，光子数也不同。门槛图只展示选定光子能否激发一对电荷；反射、未吸收与未收集的份额仍由能量账本计算。
• 在“能量账本”展开损失控制。先降低电荷收集倍率，再恢复它、单独增大串联电阻，观察不同损失条目怎样变化。
• 所有滑块都有明确的可访问名称，支持方向键、Home 和 End。“重置实验”同时恢复所有输入、光谱、路径、选定事件进程和观察方式，包括其他视图里隐藏的状态。

电学参数来自 pvlib 的 CS5P-220M 公开示例。把其中 96 个相同串联电池换算为单电池时，电流不变，电压、功率、a、串联和并联电阻均除以 96。入射面积分配为 1.7/96 m² 的组件孔径面积，不是实测的有效硅面积。本专题没有进行新的电池实测。

在 25°C、1000 W/m² 时，Iₗ = 5.114 A，I₀ = 8.196×10⁻¹⁰ A，a = 2.6373/96 V，Rₛ = 1.065/96 Ω，Rₛₕ = 381.68/96 Ω。照度缩放光生电流和并联电导；温度改变带隙、光生电流、饱和电流及 a。串联电阻只有在对应控制变化时才变化。模型测试使用六组 pvlib 公布的计算结果，独立校验短路、开路与最大功率数据。

光学部分采用三个教学能段：0.90、1.55、2.55 eV，分别占入射功率的 22%、46%、32%。这不是 AM1.5 实测光谱。假设入射光有 4% 反射；其余高于带隙的光有 90% 被吸收。低于带隙的光除反射外全部透过。这个阶跃吸收门槛不描述真实硅的间接跃迁、波长相关吸收深度或光学干涉。收集效率校准到公开的参考光生电流；降低收集倍率表示收集之前发生了额外损失。

能量账本在稳态下代数闭合。令 Iᵍ 为全部产生电荷对所对应的电流，Eᵍ 为每单位基本电荷的带隙能量，以伏特表示。账本分别计算反射、透射、光子热化、收集前复合 Eᵍ(Iᵍ−Iₗ)、二极管复合 UIᵈ、并联漏电 UIˢʰ、串联发热 I²Rₛ 和负载输出 VI。此外，(Eᵍ−U)Iₗ 表示带边能量与结电压可用自由能之间的差。这是一个合并的能量剩余项，不能当成实测温度分布，也不能再重复加到某一种损耗里。视觉账本把两种复合合并，把反射与透射合并；模型仍保留完整九项。

复合、热化和电阻损耗不是同一个物理过程。美国能源部的效率说明讨论了这些限制。这里不包含整板局部遮挡、旁路二极管、反向击穿、载流子扩散方程、接点电容或瞬态热传导。输入范围为 0–1200 W/m²、−10–75°C、0–10 Ω 负载和 350–1400 nm 单色光。层厚与运动时间均为示意。所有画面由 SVG 直接绘制，无需 WebGL、外部贴图或另一套备用计算。