太阳能电池

太阳能电池（亦称太阳能芯片或光电池）是一种将太阳光通过光生伏打效应转成电能的装置。太阳能电池事实上并不是电池，这是翻译名词，原意为太阳能单元。
在常见的半导体太阳能电池中，透过适当的能阶设计，便可有效的吸收太阳所发出的光，并产生电压与电流。这种现象又被称为太阳能光伏。
太阳能发电是一种可再生的环保发电方式，其发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，因此不会对环境造成污染；但太阳能电池板的生产过程会产生大量有毒废水，需另行处置。另外弃置的太阳能电池也是问题，若没有妥善的回收机制，会对环境造成污染。
按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶硅电池、多晶硅电池和无定形体硅薄膜电池等。对于太阳能电池来说最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中（并非硅空气电池），单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.8%，CdTe薄膜电池效率达19.6%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%。

构造与发电原理

太阳电池的基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的，这种结构称为一个PN结。
当太阳光照射到一般的半导体（例如硅）时，会产生电子与空穴对，但它们很快的便会结合，并且将能量转换成光子或声子（热），光子和能量相关，声子则和动量相关。因此电子与空穴的生命期甚短；在P型中，由于具有较高的空穴密度，光产生的空穴具有较长的生命期，同理，在N型半导体中，电子有较长的生命期。
在P-N半导体接合处，由于有效载流子浓度不同而造成的扩散，将会产生一个由N指向P的内建电场，因此当光子被接合处的半导体吸收时，所产生的电子将会受电场作用而移动至N型半导体处，空穴则移动至P型半导体处，因此便能在两侧累积电荷，若以导线连接，则可产生电流，而太阳能电池的挑战就在于如何将产生的电子空穴对在复合之前将其搜集起来。
从太阳来的光线，能量大部分落于1 – 3 eV之间，因此就单一个PN结而言，若经适当地设计，使吸收光能的高峰落于约1.5 eV，则能有最好的效率。
由于太阳电池产生的电是直流电，若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装逆变器，才能加以利用。

新型太阳电池

目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都转换成了无法利用的热能。超高效率的太阳电池（第三代太阳电池）的技术发展，除了运用新颖的元件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也尝试新材料的引进，以达成大幅增加转换效率的目的。另外，也有许多后续的封装技术和光学技术，例如聚光型太阳能电池，透过光学的方式将太阳光聚集于太阳能面板上，而此类型的太阳能电池必须能承受高温环境。

薄膜太阳电池

在薄膜电池技术中，近年建筑物集成太阳能电池技术（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV）特别引人注目。此技术把薄膜电池应用到建筑物的围护结构如屋顶、天窗、外观、门窗等部分的建筑材料之中；对于使用帷幕墙特别是玻璃幕墙的建筑物，BIPV更可结合在帷幕墙的材料之中。故其相对于非集成系统的优点，在于初投资可被因节省建材和劳工而抵消。被认为是太阳能电池工业中增长最大的技术之一。薄膜太阳能电池的好处在于可挠与低成本，透过沉积的方式即可完成，大面积，但转换效率不高，且有光衰退（因长期的光照使得材料功能性下降，又称作光裂解，原因是在薄膜沉积工艺中有氢键，这些键会在照光时断键而形成缺陷）现象，非晶硅太阳能电池具有非常宽的频谱吸收，也可以做成可挠式的薄膜电池，对于绿建筑等等需要将电池服贴于窗户甚至是建筑的表面具有相当大的帮助。
目前调查显示，CIGS可弯曲模块是BIPV封装工业增长的最大推动力，相对而言CIGS有光优化的现象（照光后效率提升）。

染料敏化太阳电池

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell，DSSC）是最近被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSSC也被称为格雷策尔电池，因为是在1991年由格雷策尔等人发明的构造和一般光伏特电池不同，其衬底通常是玻璃，也可以是透明且可弯曲的聚合箔（polymer foil，金属薄膜），玻璃上有一层透明导电的氧化物（transparent conducting oxide，TCO）通常是使用FTO（SnO₂:F），于上长有一层约10微米厚的porous纳米尺寸的TiO₂粒子（约10～20 nm）形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO₂的粒子上。通常染料是采用钌多吡啶配合物（ruthenium polypyridyl complex）。上层的电极除了也是使用透明导电层和TCO外，也镀上一层铂当电解质反应的催化剂，二层电极间，则注入填满含有iodide/triiodide电解质。虽然目前DSSC电池的最高转换效率约在12%左右，但是制造过程简单，所以一般认为降低生产成本会更多，能用更低的成本提供同样的发电量。TCO是透明导电层，也可以减少光在穿透时被吸收的能量。

串叠型电池

串叠型电池（Tandem Cell）属于一种运用新颖原件结构的电池，借由设计多层不同能隙的太阳能电池来达到吸收效率最佳化的结构设计，针对红光和蓝光区域的光谱会分别由两个电池来吸收。以增加QE的转换效率。目前由理论计算可知，如果在结构中放入越多层数的电池，将可把电池效率逐步提升，甚至可达到50%的转换效率，但串叠型电池的技术困难处在于它必须要做到电流匹配（current match），因为上下两层电池产生的电流串联时，会以电流于较小的那一颗电池为主，就如同水管大小串接在一起，水量会被出口面积较小的水管给局限住。
此种高聚光太阳光发电（High Concentration Photovoltaic, HCPV）技术由于具有发电效率高、温度系数低及最有降低发电成本的潜力等优势，近年来逐渐受到国际的重视。例如在台湾，核能研究所利用MOCVD外延生长的方法进行堆叠式单体型InGaP/GaAs/Ge三接面太阳电池外延片的开发与太阳电池元件工艺，所完成的太阳电池在128个太阳条件下，最佳能量转换效率为39.07 %。依据聚光型太阳光发电协会（CPV Consortium）资料显示，聚光型太阳光发电的全球市场将以145%年复合成长率向上增长，预估至2015年之安装量将达1.8 GW。

应用实例

有太阳能屋、太阳能灯、太阳能发电、太阳能飞机等。

应用市场的发展

由于封装技术、焊接材料与加工方法及芯片上的改良，在1991年太阳能系统的寿命约5到10年。到了1995年则增加到10～20年，而到公元2000年更可延长使用年限到25年以上。1995年，仅美国市场的太阳能电池销售额为35亿美元。由于石油及环保（全球温室效应）的问题，以及外交上对落后地区的援助，使得在公元2000年后全球的太阳能电池销售额成数倍的成长。
2005年后，德国等环保先进国家实行了新的建筑法规，太阳能板需求量爆发大增，市场严重缺货，造成全球太阳能电池产业蓬勃发展，许多太阳能电池厂的股价迅速攀升，并带动传统制造业转型，投入太阳能相关商品的开发与应用。
2011年的福岛第一核电站事故使得各国提高对各种再生能源的补贴，太阳能产业也因此扩大生产，造成供过于求，太阳能电池发电成本提早在2013~2014年达到电网平价（至少不会比传统发电贵），未来太阳能电池发电的成本将比燃煤发电便宜。
此外，太阳能电池除了硬件成本外，还有安装、管理、资金等软成本，许多国家在非硬件成本上都有很大的降价空间，只要改善非硬件的问题；在这方面表现最佳的是德国的每瓦2.21美元。根据SolarCity公司最新财报，每瓦价格为2.71美元。