太阳电池吸收太阳光，产生电能。广义来说，任何太阳电池在将太阳光转化成电的过程中，以下两个过程必须同时存在：

1）光吸收把光子转换成电荷载流子，即被激发的电子和电子留下的空位；

2）由内建电势差产生的电荷分离，这个内建电势差也驱动电流通过外部负载。

尽管目前有许多不同的太阳电池技术，其中一些总结在图2.1中，它们的原理都无一例外地基于上述两个必需的过程。而各种电池技术之间的差别是双重的：

1）它们采用的光吸收材料从无机半导体到有机半导体到可能的纳米结构半导体；

2）从p-n结到肖特基结再到两个不同的半导体之间的异质结界面，有多种方法建立内建电势差。

虽然在太阳电池中有多种建立电势差的方法，但是今天所有的产业化太阳电池，如晶体硅、碲化镉、薄膜硅和铜铟镓硒，均采用p-n结来进行电荷分离。p-n结可以是同质的，也就是p型和n型半导体使用相同的材料，也可以是异质的，也就是p型和n型采用两种不同的半导体。采用其他方法形成内建电势差的电池仅处于研究阶段，因为在性能、可靠性或价格等方面它们还没有表现出比p-n结电池更多的优势。基于这一原因，太阳电池最常见的分类方法是基于它们采用的光吸收材料，如图2.1所示。

从分类上讲，根据吸收材料的不同，太阳电池主要分为两大类：

1）无机太阳电池，其中的光吸收材料是无机半导体。这一分类包括了目前所有的产业化太阳电池，如晶体硅（单晶或多晶）、薄膜碲化镉、薄膜硅（非晶或微晶）和薄膜铜铟镓硒，以及三-五族多结叠层、砷化镓单结、铜锌锡硫硒和钙钛矿太阳电池。(www.daowen.com)

2）有机太阳电池，其中的光吸收材料是有机半导体。这一分类包括了目前正在开发的有机太阳电池和染料敏化太阳电池。在染料敏化太阳电池中光吸收材料是染料分子，为有机材料。

总的来说，无机太阳电池比有机太阳电池具有更高的效率。除了最新的铜锌锡硫硒太阳电池技术，图2.1中的无机太阳电池的效率都在13%～40%范围之内。而有机太阳电池的效率一般在10%左右。这种差距可以归因于无机半导体比有机半导体具有更为优异的电学和光学性能，这在本章中会详细讨论。

另一方面，无机太阳电池的制造中通常需要真空工艺来进行成膜、掺杂和刻蚀。例子包括在晶体硅太阳电池中采用等离子体增强化学气相沉积技术来制备氮化硅薄膜（化学计量比条件下为Si₃ N₄，非化学计量比条件下为SiN_x）作为晶体硅太阳电池减反射层，在薄膜太阳电池中采用磁控溅射来沉积透明导电氧化物，在晶体硅太阳电池中采用反应离子刻蚀工艺来进行边缘绝缘处理等。

有机太阳电池的一个主要研究动机是它的大部分制造工艺可以采用基于溶液的过程，这与基于真空的工艺相比通常具有较低的成本。当与低成本的材料结合在一起时，有机太阳电池比无机太阳电池更有希望降低组件成本。采用基于溶液的工艺制造无机太阳电池应该是太阳能光伏研究的一个重要方向。其目标是降低无机太阳电池的制造成本，同时保持高效率。与薄膜硫族化合物太阳电池相比，基于溶液的制造方法对包括晶体硅和薄膜硅的硅太阳电池来说更为困难。碲化镉、铜铟镓硒、铜锌锡硫硒和几种正在开发的太阳电池在溶液制造方面有更好的机会。

由于硅的共价键较强且有方向性，用基于溶液的方法制备出硅太阳电池难度较大。硅中键长和键角都严格固定，任何原子错位将导致应变键或悬挂键，这两者都是晶体中的电学缺陷。基于以上原因，溶液法合成的硅材料的质量达不到器件的使用要求，而低温真空法如等离子体增强化学气相沉积法制备的硅，具有较多缺陷。实际上，低温真空工艺制备出来的硅材料的缺陷态密度非常高，使得材料在结构上为非晶态，且电学特性显著恶化。例如，非晶硅中的载流子迁移率通常低于1cm²/（V·s），而单晶硅的载流子迁移率则为450～1500cm²/（V·s）。与此相反，离子键结合的半导体，例如金属硫化物，已经被证实能用溶液法获得优良的结晶质量。离子键是无方向性的，即由于键的库仑本质导致键角不是严格固定。离子键的灵活性允许晶格中存在少量原子错位而不会引入电学缺陷。这具有重要的意义，因为许多金属硫族化合物都已通过溶液方法合成出多晶态，且具有优良的电学特性，这使得溶液法制造高效无机太阳电池成为可能。

图3.1为目前商业用晶体硅太阳电池和组件的最流行的结构示意图。硅片，单晶或多晶，为p型，电阻率约为1Ω·cm，厚度在180～200μm之间。硅片的正面进行磷元素扩散，形成了约为0.5μm厚度的n型层，也就是所谓的发射极。上部的减反射层为75nm的SiN_x，前电极为Ag电极，背电极是铝。背电极中的铝元素扩散到硅中，形成一个重p＋型区域，称为背场。在一个组件中，通常由60片或72片硅电池片串联连接起来，所以在电池中的电流匹配对于降低不匹配损失是关键。电池片、前盖板玻璃及背部盖膜，与一种热塑性材料，通常为乙烯-醋酸乙烯共聚物层压在一起。层压组件的边缘用铝框架密封起来。组件的峰值功率，也就是中午时的功率，通常在250～350Wp之间，其电流略大于8A，电压在30V或36V左右。

图3.1 晶体硅太阳电池（图a）和组件（图b）的示意图。该图不是按比例绘制的。光吸收主要发生在基底，而电荷分离主要通过图a中发射极和基底间的p-n结。图a中没有画出表面织构；图b中，电池片被串联连接，封装成组件。