为什么太阳能电池材料的最优带隙约为1.5 eV？

当光子激发半导体中带隙附近的电子的时候会存在以下三种情况：

1. 当光子的能量小于半导体的带隙Eg的时候，电子不吸收该光子的能量，该光子透过半导体，即Transparency loss；
2. 当光子的能量等于半导体的带隙Eg的时候，电子吸收光子的能量从价带顶VBM跃迁到导带底CBM，最终通过PN结区的内建电场分离，将吸收的光子的能量完全转化成电能；
3. 当光子的能量大于半导体的带隙Eg的时候，电子吸收光子的能量跳跃到高于导带底(CBM)的某个位置，然后再通过弛豫，将多余的能量以热的形式释放出来，这一部分以热的形式损耗掉的能量就是Thermalisation loss，然后落到导带底去，最终被内建电场分离，将吸收的光子的部分能量转化成电能。
   

根据上面的描述，我们不难得出下面的结论：

1. 带隙越大，那么就有越多的低能光子无法将价带顶的电子激发导导带去，因此，就有越多的光子难以被价带的电子所吸收，Transparency loss也就越大。总结起来就是带隙越大，Transparency loss也就越大，对应于图中由左下角到右上角的虚线；
2. 带隙越小，那就就有越多的光子会被吸收，但是这些光子被吸收后，会有越多的能量通过弛豫以热的形式耗散掉。总结起来就是带隙越小，Thermalisation loss也就越大，对应于图中由左上角到右下角的虚线；

最终，实际的光电转化效率η为

η=1-Transparency loss-Thermalisation loss

对应于图中的实线。

这条实线是中间高，两头低。这个很好理解：当带隙太大的话，所有的光子几乎都吸收不了，所以光电转化效率为0，当带隙太小的话，所有的光子能量在被价带电子吸收后，在导带经过弛豫，几乎全都以热的形式耗散掉了，所以光电转化效率为0。极值点处在中间的某个位置，图上表示的是在1.0 eV到1.5 eV之间。这张图可能不是在AM1.5下得到的，在AM1.5下，要向使光电转化效率取极值，带隙应该在1.5 eV附近。

(本文中的图来自于几位西班牙科学家的综述，文章现在找不到了，有见过这篇文献的同学可以提醒我一下。更多关于太阳能电池方面的内容可参看英国科学家Jenny Nelson《太阳能电池物理》)