傳統(tǒng)太陽電池原理建立在半導體物理 pn 結(jié)的基礎之上�；�于能帶理論對半導體的性質(zhì)進行分析 ， 認為半導體的能帶中存在導帶和價帶 ， 在導帶和價帶之間有帶隙 。 當光入射到太陽電池上時 ， 大于帶隙的光會被電池吸收 ， 將電子從價帶激發(fā)到導帶上 ， 成為可以自由移動的電子 ， 同時在價帶留下空穴 。 這是半導體的本征吸收 ， 又叫帶間吸收 ， 是太陽電池中最重要的吸收形式，也是太陽電池起作用的基礎。能量小于帶隙的光子不能發(fā)生帶間吸收 ， 但有可能發(fā)生自由載流子吸收 、 缺陷吸收 ， 這取決于光伏材料的摻雜程度和材料質(zhì)量 。 這些吸收通常對太陽電池光伏轉(zhuǎn)換沒有貢獻 ， 有時還會使電池性能下降 ， 比如因自由載流子吸收發(fā)熱而使電池性能下降等。

為實現(xiàn)太陽電池對能量小于帶隙的光子的吸收 ， 并使其對光伏轉(zhuǎn)換有貢獻 ， 提出了雙光子或多光子吸收機制 。 利用這種效應需要解決的主要問題是如何設計和實現(xiàn)帶間能級的合理分布，以及如何在增大光利用率的同時，保證電池的開路電壓。此外，還有上轉(zhuǎn)換機制 ，利用上轉(zhuǎn)換材料吸收能量小于帶隙的光子，發(fā)出可以被太陽電池吸收的能量大于帶隙的光子 。

目前的研究多集中在利用摻稀土發(fā)光材料實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的工作上 ， 這方面存在的問題是如何提高轉(zhuǎn)換效率。為減少載流子熱弛豫而產(chǎn)生的能量損失 ， 近來提出了叫作多激子產(chǎn)生 ( Multiple ExcitonGeneration ， MEG )的機制，并已對其進行了初步研究。在 MEG 方面進一步作深入研究，有提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的極大潛力。減少載流子熱弛豫能量損失的另一種機制是下轉(zhuǎn)換機制 ， 利用下轉(zhuǎn)換材料吸收能量遠大于帶隙的光子 ， 發(fā)出可以被太陽電池吸收的能量略大于帶隙的光子 。 在下轉(zhuǎn)換方面的研究基本仍停留在概念性研究上，急待解決的問題很多。降低載流子輸運過程中的復合是提高轉(zhuǎn)換效率的關鍵 。 目前的研究結(jié)論將復合分為三種:在禁帶中的陷阱(缺陷)復合、輻射(帶間)復合、以及俄歇復合。常規(guī)電池來講 ， 對限制電池性能起主要作用的是缺陷陷阱復合。因此提高光伏材料質(zhì)量，減少其中的缺陷 ， 包括體內(nèi)缺陷和表面缺陷(懸掛鍵)，是獲得高效率光伏轉(zhuǎn)換的關鍵。

近年來 ， 光伏材料的研究主要集中在以晶硅材料為代表的體材料 、 薄膜材料及低維納米材料等方面。

(I) 晶硅材料:制備晶硅材料成熟的方法是西門子法，冶金級硅與氯化氫反應生成三氯氫硅 ， 然后用氫氣還原得到 9N 的高純硅 。 這種方法耗能很高 。 實際上 ， 用于太陽電池的硅材料并不需要如此高的純度。 6N 就可以保證獲得較高效率。為此，世界范圍內(nèi)都在研究低成本獲得 6N 純度硅的方法 。 一方面是化學法的改進 : 德國 Waker 公司開發(fā)的硫化床法 ，采用硅顆粒代替西門子法中的硅棒，提高了氣源利用率，從而降低了耗能;日本德 山Tokuyama 公司開發(fā)了液態(tài)硅表面淀積技術 ; 挪威 REC 則開發(fā)了熱分解硅烷技術 ; 日本智 索Chisso 開發(fā)了鋅還原四氯化硅技術 ， 盡管這些技術耗能有所下降 ， 但仍然較高 。 物理法方面的進展主要有挪威 lkem 公司，采用多次精煉加酸洗的方法，可以將耗能降低到 25 –30kWh/kg ;日本川崎 Kawasaki ，采用區(qū)熔定向凝固，然后去除頭尾料，再用電子束熔融去硼 ， 之后再次區(qū)熔定向凝固 ， 采用等離子體熔融去磷和碳 。

但是 ， 到目前為止 ， 盡管物理法取得了一些進展，但最高純度也只做到了 5N 。利用這些材料制備的電池光致衰退嚴重。物理法制備 6N 硅具有吸引人的廣闊前景 ， 但仍有很多問題沒有解決 ， 最關鍵的沒有找到低成本除磷硼的有效方法。高純硅料獲得后 ， 有兩種途徑來制備硅片 ， 一種是通過直拉或區(qū)熔等工藝制成單晶硅棒 ， 然后處理切片 ; 另一種是通過鑄錠工藝制成多晶硅錠 ， 然后處理切片 。 由于鑄錠工藝步驟簡單，能量消耗少，并且由此所獲得的多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率并不會比單晶低很多 ，具有更高的性價比 ， 多晶硅太陽電池已經(jīng)逐漸取代單晶硅電池成為了光伏市場的主導 。 但是 ，多晶硅鑄錠工藝仍然很不完善 ， 如何有效防止鑄錠過程中的雜質(zhì)污染 、 如何控制多晶硅晶粒的垂直定向生長、以及如何進一步降低成本都是迫切要解決的問題。在后續(xù)的切片過程中 ，如何減少硅料的損失量 、 如何實現(xiàn)薄硅片切割 、 如何減少硅片表面的損傷等也是光伏領域關注的重要方面。