太陽能電池發(fā)電是根據愛因斯坦的光電效應而運用于日常生活。黑體(太陽)輻射出不同波長(頻率)的電磁波， 如紅、紫外線，可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上，光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。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遠高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉化為電能，值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關，只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時，電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁帶寬度相關，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生光電效應。
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體電池、染料敏電池、有機材料電池等。對于太陽電池來說最重要的參數(shù)是轉換效率，在實驗室所研發(fā)的硅基太陽能電池中，單晶硅太陽電池的效率為25.0%，多晶硅太陽電池的效率為20.4%，單晶體硅薄膜太陽電池的效率為16.7%，非晶硅薄膜太陽電池的效率為10.1%。[1]
太陽能電池是一種可以將能量轉換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是“硅”，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質，就可以做成P型與N型半導體，再利用P型半導體有個電洞(P型半導體少了一個帶負電荷的電子，可視為多了一個正電荷)，與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流，所以當太陽光照射時，光能將硅原子中的電子激發(fā)出來，而產生電子和空穴的對流，這些電子和空穴均會受到內建電位的影響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時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。
簡單的說，太陽光電的發(fā)電原理，是利用太陽電池吸收0.4μm～1.1μm波長(針對硅晶)的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發(fā)電方式。[2]
以太陽能發(fā)展的歷史來說，光照射到材料上所引起的“光起電力”行為，早在19世紀的時候就已經發(fā)現(xiàn)了。
1849年術語“光－伏”才出現(xiàn)在英語中。
1839年，光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)。
1883年第一塊太陽能電池由Charles Fritts制備成功。Charles用鍺半導體上覆上一層極薄的金層形成半導體金屬結，器件只有1%的效率。
1946年Russell Ohl申請了現(xiàn)代太陽能電池的制造專利。
到了1950年代，隨著半導體物理性質的逐漸了解，以及加工技術的進步，1954年當美國的貝爾實驗室在用半導體做實驗發(fā)現(xiàn)在硅中摻入一定量的雜質后對光更加敏感這一現(xiàn)象后，第一個太陽能電池在1954年誕生在貝爾實驗室。太陽能電池技術的時代終于到來。
1960年代開始，美國發(fā)射的人造衛(wèi)星就已經利用太陽能電池做為能量的來源。
1970年代能源危機時，讓世界各國察覺到能源開發(fā)的重要性。1973年發(fā)生了石油危機，人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。
在美國、日本和以色列等國家，已經大量使用太陽能裝置，更朝商業(yè)化的目標前進。在這些國家中，美國于1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發(fā)電量可以高達16百萬瓦特。南非、博茨瓦納、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉(xiāng)村地區(qū)安裝低成本的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。
推行太陽能發(fā)電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法，推廣每戶3,000瓦特的“市電并聯(lián)型太陽光電能系統(tǒng)”。在第一年，政府補助49％的經費，以后的補助再逐年遞減。到了1996年，日本有2,600戶裝置太陽能發(fā)電系統(tǒng)，裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年后，已經有9,400戶裝置，裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。由于環(huán)保意識的高漲和政府補助金的制度，日本住家用太陽能電池的需求量，也急速增加。
在中國，太陽能發(fā)電產業(yè)亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月，財政部宣布擬對太陽能光電建筑等大型太陽能工程進行補貼。[3]
2010年9月9日《大眾科學》報道，科學家利用水母身上提取的綠色熒光蛋白（GFP），該小組制作的裝置可用這些“黏黏綠”將紫外光轉化為自由電子。該科研小組制造的電池由在二氧化硅基底上被一個小縫隔開的兩個簡單的鋁電極組成，GFP置于兩電極中間并起連接作用。當把紫外光放進來的時候，GFP不斷將光子抓走，并產生電子進入電路產生電流。同時，GFP非常廉價，不需要昂貴的添加劑或昂貴的加工，此外，它還能被封裝成獨立的不需要外光源的燃料電池?？茖W家相信，此能源裝置縮小后可用來驅動微小的納米設備。[4]
制造材料
太陽電池的材料種類非常的多，可以有非晶硅、多晶硅、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料，簡單地說，凡光照后，而產生電能的，就是太陽電池尋找的材料。
太陽能光伏電池通常用晶體硅或薄膜材料制造，前者由切割、鑄錠或者鍛造的方法獲得，后者是一層薄膜附著在低價的襯背上。市場生產和使用的太陽能光伏電池大多數(shù)是用晶體硅材料制作的，2006年占93％左右；未來發(fā)展的重點是薄膜太陽電池，它因用材少、重量小、外表光滑、安裝方便而更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>
工藝形式
太陽電池型式上也分有，基板式或是薄膜式，基板在制程上可分拉單晶式的、或相溶后冷卻結成多晶的塊材，薄膜式是可和建筑物有較佳結合，如有曲度或可撓式、折疊型，材料上較常用非晶硅。另外還有一種有機或納米材料研發(fā)，仍屬于前瞻研發(fā)。因此，也就是不同世代的太陽電池：第一代基板硅晶(Silicon Based)、第二代為薄膜(Thin Film)、第三代新觀念研發(fā)(New Concept)、第四代復合薄膜材料。[3]
太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類。
硅太陽能電池
硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。
多元化合物薄膜太陽能電池
多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。
聚合物多層修飾電極型太陽能電池
在太陽能電池中以聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原電勢，在導電材料（電極）表面進行多層復合，制成類似無機P－N結的單向導電裝置?！ ?/p>
由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意義。
納米晶化學太陽能電池
納米晶化學太陽能電池（簡稱NPC電池）是由一種在禁帶半導體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導體材料上形成的，窄禁帶半導體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機化合物敏化染料，大能隙半導體材料為納米多晶TiO2并制成電極，此外NPC電池還選用適當?shù)难趸贿€原電解質。
光合太陽能電池
光合作用是通過將光能轉化為電能，繼而將電能轉化為活躍的化學能，最終將其轉化為穩(wěn)定的化學能的過程，這一過程也就為利用光合作用發(fā)電提供了基礎。由于光合作用能夠相對高效地將太陽能轉化成電能，而且在轉化的過程中僅消耗水，對環(huán)境沒有絲毫的污染，所以在其它自然能源日益匱乏，環(huán)境污染嚴重的今天，利用光合作用解決人類的能源需求問題已經成為科學家研究的熱點問題。[5]
在晶體硅太陽能電池的產業(yè)鏈上分布著晶硅制備(單晶硅、多晶硅、非多晶硅薄膜)、硅片生產、電池制造、組件封裝四個環(huán)節(jié)。
產業(yè)鏈最上游是太陽能晶硅制備，這個環(huán)節(jié)技術門檻高(尤其是多晶硅)，具有一定壟斷性，Hemlock、Wacker、Tokuyama、REC、MEMC、Misubishi和Sumitomo等公司掌握晶硅制備技術，占據全球太陽能多晶硅總產量的95%以上。
第二個環(huán)節(jié)是硅片(Wafer)生產。這一環(huán)節(jié)的主要技術流程包括鑄錠(或單晶生長)、切方滾磨、用多線切割機切片、化學腐蝕拋光，其中鑄錠(或單晶生長)環(huán)節(jié)屬于高能耗，切割機等的投資規(guī)模相對較大，具有工藝、資金方面的壁壘。在這個環(huán)節(jié)中Sharp、Q-cells、BP Solar、Deutsche Solar、Kyocera等公司占據較大的市場份額。中國的天威英利是這個領域的競爭者之一，具備生產單晶硅片的能力，技術難度僅次于多晶硅的制造。
第三個層次是太陽能電池制造，中國的代表企業(yè)是宏威集團、無錫尚德和天威英利，產能、產量都屬于全球主流的太陽能電池制造商。第四個環(huán)節(jié)是組件封裝，技術含量相對較低，進入門檻低，屬于勞動力密集型產業(yè)，國內有較多企業(yè)參與這個市場。[6]
1.用戶太陽能電源：（1）小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；（2）3-5KW家庭屋頂并網發(fā)電系統(tǒng)；（3）光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。
2. 交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、宇翔路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。
3. 通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。
4. 石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。
5.家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。
6.光伏電站：10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。
7.太陽能建筑：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結合，使得未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。
8.其他領域包括：（1）與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；（2）太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；（3）海水淡化設備供電；（4）衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。
據Dataquest的統(tǒng)計資料顯示，目前全世界共有136個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中，其中有95 個國家正在大規(guī)模地進行太陽能電池的研制開發(fā)，積極生產各種相關的節(jié)能新產品。
日本、韓國以及歐洲地區(qū)總共8個國家最近決定攜手合作，在亞洲內陸及非洲沙漠地區(qū)建設世界上規(guī)模最大的太陽能發(fā)電站，他們的目標是將占全球陸地面積約1/4的沙漠地區(qū)的長時間日照資源有效地利用起來，為30萬用戶提供100萬千瓦的電能。
中國
2003年10月，國家發(fā)改委、科技部制定出未來5年太陽能資源開發(fā)計劃，發(fā)改委"光明工程"將籌資100億元用于推進太陽能發(fā)電技術的應用，計劃到2015年全國太陽能發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量達到300兆瓦。
據了解，用于供電的太陽能電池板會占據屋頂?shù)拇蟛糠挚臻g，為太陽能加熱系統(tǒng)留下的空間很少。為了解決這一問題，美國科學家制造出了一種新的太陽能電池系統(tǒng)，其不僅供電能力更強，并且也能捕獲更多熱量來加熱房間和水。
太陽能光伏熱能系統(tǒng)指利用太陽電池的光生伏特效應，將太陽能直接轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。但迄今為止，與獨立式太陽能集熱器相比，其生熱能力要略遜一籌。那是因為，它們需要在低溫下操作，以冷卻晶體硅太陽能電池，這就會讓硅發(fā)電更多，但集熱能力就乏善可陳了。
