太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏（Photovoltaic，縮寫為PV），簡稱光伏。

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的薄膜電池實(shí)施太陽能電池則還處于萌芽階段。

太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。

太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

光—熱—電轉(zhuǎn)換

光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。前一個過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍。一座1000MW的太陽能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW的投資為2000～2500美元。因此，只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。

光—電直接轉(zhuǎn)換

太陽能電池發(fā)電是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)制成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應(yīng)于不同頻率)的電磁波， 如紅外線、紫外線、可見光等等。當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上，光子與導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高，例如紫外線所具有的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉(zhuǎn)化為電能，值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無關(guān)，只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí)，電流才能產(chǎn)生。能夠使半導(dǎo)體產(chǎn)生光電效應(yīng)的光的最大波長同該半導(dǎo)體的禁帶寬度相關(guān)，譬如晶體硅的禁帶寬度在室溫下約為1.155eV，因此必須波長小于1100nm的光線才可以使晶體硅產(chǎn)生光電效應(yīng)。 太陽電池發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)電過程中不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不會對環(huán)境造成污染。按照制作材料分為硅基半導(dǎo)體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機(jī)材料電池等。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。對于太陽電池來說最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換效率，在實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)的硅基太陽能電池中，單晶硅電池效率為25.0%，多晶硅電池效率為20.4%，CIGS薄膜電池效率達(dá)19.6%，CdTe薄膜電池效率達(dá)16.7%，非晶硅（無定形硅）薄膜電池的效率為10.1%

太陽電池是一種可以將能量轉(zhuǎn)換的光電元件，其基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的。半導(dǎo)體最基本的材料是“硅”，它是不導(dǎo)電的，但如果在半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì)，就可以做成P型與N型半導(dǎo)體，再利用P型半導(dǎo)體有個空穴(P型半導(dǎo)體少了一個帶負(fù)電荷的電子，可視為多了一個正電荷)，與N型半導(dǎo)體多了一個自由電子的電位差來產(chǎn)生電流，所以當(dāng)太陽光照射時(shí)，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產(chǎn)生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內(nèi)建電位的影響，分別被N型及P型半導(dǎo)體吸引，而聚集在兩端。此時(shí)外部如果用電極連接起來，形成一個回路，這就是太陽電池發(fā)電的原理。

太陽能電池的基本特性有太陽能電池的極性、太陽電池的性能參數(shù)、太陽能電環(huán)保電池的伏安特性三個基本特性。具體解釋如下

1、太陽能電池的極性

硅太陽能電池的一般制成P+/N型結(jié)構(gòu)或N+/P型結(jié)構(gòu)，P+和N+，表示太陽能電池正面光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型;N和P，表示太陽能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。太陽能電池的電性能與制造電池所用半導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。

2、太陽電池的性能參數(shù)

太陽電池的性能參數(shù)由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等組成。這些參數(shù)是衡量太陽能電池性能好壞的標(biāo)志。

3　太陽能電池的伏安特性

P-N結(jié)太陽能電池包含一個形成于表面的淺P-N結(jié)、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正面的抗反射層。當(dāng)電池暴露于太陽光譜時(shí)，能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻(xiàn)。能量大于禁帶寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻(xiàn)能量Eg，小于Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此，在太陽能電池的設(shè)計(jì)和制造過程中，必須考慮這部分熱量對電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。

1、單晶硅太陽能電池

單晶硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括正面梳狀電極、減反射膜、N型層、PN結(jié)、P型層、背面電極等。單晶硅太陽能電池廣泛用于空間和地面，這種太陽能電池以高純的單晶硅棒為原料。將單晶硅棒切成片，經(jīng)過一系列的半導(dǎo)體工藝形成PN結(jié)。然后采用絲網(wǎng)印刷法做成柵線，經(jīng)過燒結(jié)工藝制成背電極，單晶硅太陽能電池的單體片就制成了。單體片即可按所需要的規(guī)格用串聯(lián)和并聯(lián)的方法組裝成太陽能電池組件（太陽能電池板），構(gòu)成一定的輸出電壓和電流。最后用框架進(jìn)行封裝，將太陽能電池組件組成各種大小不同的太陽能電池陣列。目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室成果也有20%以上的。

2、多晶硅太陽能電池

多晶硅薄膜太陽電池是將多晶硅薄膜生長在低成本的襯底材料上，用相對薄的晶體硅層 作為太陽電池的激活層，不僅保持了晶體硅太陽電池的高性能和穩(wěn)定性，而且材料的用量大幅度下降，明顯地降低了電池成本。多晶硅薄膜太陽電池的工作原理與其它太陽電池一樣，是基于太陽光與半導(dǎo)體材料的作用而形成光伏效應(yīng)。

太陽能電池使用的多晶硅材料多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化，然后注入石墨鑄模中，即得多晶硅錠。這種硅錠鑄成立方體，以便切片加工成方形電池片。多晶硅太陽能電池板的制作工藝與單晶硅太陽能電池板差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽能電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。

3、非晶硅太陽能電池

非晶硅太陽能電池由透明氧化物薄膜（TCO）層、非晶硅薄膜P-I-N層（I層為本征吸收層）、背電極金屬薄膜層組成，基底可以是鋁合金、不銹鋼、特種塑料等。它與單晶硅和多晶硅太陽能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低。制造方法有多種，最常見的是用輝光放電法得到N型或P型的非晶硅膜。襯底材料一般用玻璃或不銹鋼板。非晶硅太陽能電池很薄，可以制成疊層式，或采用集成電路的方法制造，可一次制作多個串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。目前非晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國際先進(jìn)水平為10%左右。

4、多元化合物太陽能電池

硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，在廣泛深入的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，國際上許多國家的碲化鎘薄膜太陽電池已由實(shí)驗(yàn)室研究階段開始走向規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

（1）、硫化鎘太陽能電池：雖然光電效率已提高到9%，但是仍無法與多晶硅太陽能電池競爭。與非晶硅薄膜電池相比，制造工藝比較簡單。

（2）、砷化鎵太陽能電池：砷化鎵與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫，在250℃的條件下，光電轉(zhuǎn)換性能仍很良好，其最高光電轉(zhuǎn)換效率約30%，特別適合做高溫聚光太陽能電池。由于鎵比較稀缺，砷有毒，制造成本高，此種太陽能電池的發(fā)展受到影響。

（3）、銅銦硒太陽能電池：以銅、銦、硒三元化合物半導(dǎo)體為基本材料制成的太陽能電池。它是一種多晶薄膜結(jié)構(gòu)，材料消耗少，成本低，性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率在10%以上。因此是一種可與非晶硅薄膜太陽能電池相競爭的新型太陽能電池。

5、納米晶體化學(xué)太陽能電池

染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs）主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底，染料敏化的半導(dǎo)體材料、對電極以及電解質(zhì)等幾部分。其陽極為染料敏化半導(dǎo)體薄膜（TiO2膜），陰極為鍍鉑的導(dǎo)電玻璃。納米晶體TiO2太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5——1/10，。壽命能達(dá)到20年以上。

6、疊層太陽能電池

疊層電池使得電池的性能可以得到疊加。太陽能電池的薄層化使其可以做得更薄，因此器件的疊層也變得更為現(xiàn)實(shí)可行。疊層電池可以是同種器件的疊層，也可以是異類器件的疊層。每一個疊層單元，由于感光部分的光響應(yīng)性能不同，可分別吸收利用不同波段的太陽光。經(jīng)過疊層，太陽光可以在全波段上都受到較好的吸收；同時(shí)由于器件之間的耦合效應(yīng)，整體的光能轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到更高水平。

7、柔性太陽能電池

柔性太陽能電池板采用高晶硅材料制成，并用高強(qiáng)度、透光性能強(qiáng)的太陽能專用鋼化玻璃以及高性能、耐紫外線輻射的專用密封材料層壓制而成，有能抗冰雪、抗震、防壓等多種優(yōu)點(diǎn)，即使在溫度劇變的惡劣條件下也能正常使用，。所以柔性電池能用在平板類太陽能電池難以勝任的許多領(lǐng)域，例如太陽能汽車、飛機(jī)、飛艇、建筑、紡織品、帳篷、服裝、頭盔，玩具等特殊曲面上。

1、太陽能資源取之不盡，用之不竭。

2、綠色環(huán)保。光伏發(fā)電本身不需要燃料，沒有二氧化碳的排放，不污染空氣。不產(chǎn)生噪音。

3、應(yīng)用范圍廣。只要能獲得光照的地方就可以使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，它不受地域、海拔等因素制約。

4、無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，操作、維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。一套光伏系統(tǒng)只要有太陽，電池組件就會發(fā)電，加之現(xiàn)在均采用自動控制數(shù)，基本不用人工操作。

5、太陽電池生產(chǎn)材料豐富：硅材料儲量豐富，地殼豐度在氧元素之后，列第二位，達(dá)到26%之多。

6、使用壽命長。晶體硅太陽能電池壽命可長達(dá)20——35年。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只要設(shè)計(jì)合理、選型適當(dāng)，蓄電池的壽命也可長達(dá)10年。

7、太陽電池組件結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕，便于運(yùn)輸和安裝，建設(shè)周期短。

8、系統(tǒng)組合容易。若干太陽電池組件和蓄電池單體組合成為系統(tǒng)的太陽電池方陣和蓄電池組；逆變器、控制器也可以集成。系統(tǒng)可大可小，極易擴(kuò)容。

9、能量回收期短，大約0.8-3.0年；能量增值效應(yīng)明顯，大約8-30倍。