從光子到家中電力：深入了解光電效應的奧秘
太陽能板，或稱太陽能模組，是一種能將光能直接轉換為電能的設備。這個過程被稱為光電效應 (Photovoltaic Effect)，其中 "Photo" 意指光，"Voltaic" 意指電壓。無論是陽光還是人造光，只要有光子照射，太陽能電池就能產生電壓。
當光子（光的粒子）撞擊太陽能電池時，它們會將能量傳遞給電池半導體材料中的電子，將其「敲」出來，使其成為自由電子，並在原處留下一個「電洞」。這個簡單的物理現象，就是整個太陽能發電技術的基石。
一個大型的太陽能發電廠看似複雜，但它是由最基本的單位逐級構成的。
最基本的發電單位，矽基電池在標準太陽光照條件下單顆輸出電壓約 0.5–0.6 V（開路電壓稍高，工作電壓略低）。
由多個太陽能電池串聯而成，也就是我們常說的「太陽能板」。
將多個太陽能模組串聯或並聯，以達到所需電壓和電流。
由多個串列組成，構成大型太陽能發電系統。
太陽能板表面的不同外觀，主要源於其內部矽晶體結構的差異。以下為商用模組在 2020 年代中期的典型效率：
為了獲得有用的電壓和電流，太陽能模組需要以特定方式連接。假設一個模組能提供 30V 電壓和 8A 電流（功率 240W）：
將一個模組的正極連接到下一個模組的負極。
4 個模組串聯：
電壓 = 4 × 30V = 120V
電流 = 8A
功率 = 120V × 8A = 960W將所有模組的正極連接在一起，負極也連接在一起。
4 個模組並聯：
電壓 = 30V
電流 = 4 × 8A = 32A
功率 = 30V × 32A = 960W在實際應用中，通常會混合使用串並聯，以滿足逆變器或充電控制器的特定電壓和電流範圍要求。
太陽能產生的直流電 (DC) 可以透過不同方式被利用。
適用於露營車、船隻或偏遠地區。系統通常包含：
最常見的住宅和商業應用。系統與公共電網連接：
太陽能電池之所以能將電子和電洞分開，產生電壓，全靠 PN 接面內建的電場。
純矽有4個價電子，會與鄰近原子共享形成穩定結構。為了創造自由電荷，我們進行摻雜：
當 N 型和 P 型材料接觸時，N 型的自由電子會擴散到 P 型去填補電洞。這使得接面處形成一個內建的電場，並產生一個沒有自由電荷的「空乏區」。
當光子撞擊矽原子時，會產生電子-電洞對。光子可在不同深度被吸收，但只有在空乏區內、或是在能擴散至空乏區的距離內產生的電子-電洞對，才能被有效分離：
太陽能電池的效率受到物理定律的限制，主要原因如下：
綜合以上因素，單接面矽太陽能電池在標準 AM1.5G 光譜與非集中光條件下的理論最高效率（蕭基-奎伊瑟極限）約為 33%。而多接面或聚光型技術則可突破此上限。
這也解釋了影片中「為何紅色 LED 無法為自己供電？」的問題：因為從「電→光→電」的每次轉換都伴隨著巨大的能量損失（如電阻熱耗、發光量子效率、光譜不匹配等），整體效率遠低於 100%。