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光伏发电的历史起源要追溯到 1839年，19岁的法国贝克勒尔做物理实验时，发现在导电液中的两种金属电极用光照射时，电流会加强，从而发现了“光生伏打效应”；随后在 1930年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池板”，使太阳能板发电达到变成电能；1932年，奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳能电池；1941年，奥尔在硅板上发现光伏效应；但是直到 20 世纪中叶，也就是直到 1946年才由 Russell Ohl申请了现代太阳能电池的制造专利，从此之后光伏器件才开始正式进入快速发展阶段。到了 1954 年 5 月，美国贝尔实验室恰宾、富勒和皮尔松开发出效率为 6%的单晶硅太阳能电池，这是世界上第一个有实用价值的太阳能电池。同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了太阳能电池。太阳光能转化为电能的实用光伏发电技术由此诞生并发展起来。
2017 年太阳能电池(发电组件)的生产量为97.7 GW，其中出货量为 93.8 GW，其安装容量为 95.1 GW。根据组件类型的占有率分析，在93.8 GW的出货量中，单结晶硅型的市场占有率为 49%，多晶体硅型为 46%，化合物型的镉碲(CdTe)类型为3%，
图 1 2017 年世界光伏发电市场不同类别太阳能电池板出货量
2.1 晶硅太阳能电池
图 2 典型单晶硅 PERC结构示意图(来源 http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/high-efficiency)
p 型多晶(mc)硅太阳能电池约占全球太阳能电池总产量的 70％，尽管多晶硅由于结构缺陷和杂质浓度高而导致载流子复合率高，但是与单晶硅相比，多晶硅具有更简单的结晶过程从而具备很好的成本优势。而对于工业型丝网印刷的 p型单晶太阳能电池，据报道效率高达 22.6％，迄今报道的最高认证效率为21.3％。
然而，对于 n型硅，其优良的材料质量主要是由于其对普通杂质(例如 Fe)的相对耐受性，导致与具有相似杂质浓度的 p型衬底相比，n型硅具有更高的载流子扩散长度，其中针对交错的背接触太阳能电池，已经报道的效率已高达 26.6％。高性能多晶硅(HPmc)完美的晶体结构与 n型掺杂的固有优点相结合(对常见杂质具有较高的耐受性)使得人类可以在多晶硅上制造高效太阳能电池。弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(FhG—ISE)制备的 n型多晶硅太阳能电池(面积为 4 cm 2)的转换效率可达21.9％，这是目前世界的最高水平。
2.2 CIGS太阳能电池
铜铟镓硒太阳能电池(或 CIGS电池，有时可写作CI(G)S或CIS电池)是一种典型的薄膜太阳能电池。它主要通过在玻璃或塑料背衬上沉积铜、铟、镓和硒化物的薄层，以及前后的电极来收集电流。由于该材料具有高吸收系数，因此与其他半导体材料相比需要更薄的膜。与其他传统光伏技术相比，CIGS的主要优点包括高能量、低功耗损失温度系数、对遮蔽物的敏感度低、能量回收时间短等优点。基于Cu(In, Ga)(S, Se) 2(CIGS)的薄膜太阳能电池是最有希望的光伏(PV)技术之一，到目前为止实验室制备的最佳电池效率是 Philip Jackson报道的 22.6％，与此同时，其他的研究机构和工业企业在刚性和柔性基材上也达到了 20％以上的效率。其中最具有代表性的是由 SolarFrontier制造的 1 cm2 CIGS(CuIn 1-xGa xSe 2 )电池，其效率已经可以达到 21.7％，并在日本国立先进工业科技研究所(AIST)得到验证。
2.3 GaAs太阳能电池
砷化镓(GaAs)是光伏材料中最常用的 III—V半导体化合物之一。这可以归因于其较高的电子迁移率，同时，它是直接带隙半导体，生长机制可以很好的控制。国内外相关领域已经对其有了广泛的研究，并使其迅速成为薄膜太阳能电池的参考系。主要用于单晶薄膜太阳能电池和多结太阳能电池。
1970 年，第一个 GaAs 异质结太阳能电池是在 20世纪 80年代初由苏联的 Zhores Alferov领导的团队创建的，最好的 GaAs 太阳能电池的效率超过了传统的晶体硅基太阳能电池的效率。在 20世纪 90 年代，GaAs 太阳能电池从硅片接管，成为最常用于卫星应用的光伏阵列的电池类型。
目前，由 Alta Device 制造的单结薄膜 GaAs模块太阳能电池，其独立确认的太阳能转换效率为 23.5％，这是非集中日光下模块电池的新纪录。他们通过减少对电池的遮蔽，优化了光的耦合从而使得模块太阳能电池具有无与伦比的性能。这些属性的背后是 Alta太阳能材料的薄而灵活的性质，可以在电池和模块间直接实现高转换效率。
2.4 CdTe 太阳能电池
碲化镉太阳能电池是除晶体硅太阳能电池的第二大光伏(PV)技术，目前占世界市场的 5％。CdTe薄膜太阳能电池制造周期短且成本低，为传统的硅基技术提供了较低成本的替代方案。最常见的 CdTe 太阳能电池由简单的 p—n 异质结结构组成，其包含 p型掺杂的 CdTe层，与窗口层的 n掺杂硫化镉(CdS)层能级很好的匹配，该结构类似于 CIGS 电池中的异质结。与大多数薄膜太阳能技术一样，载体收集通过漂移或场辅助来实现。
碲化镉薄膜太阳能电池的最高转化效率为21.5%，是由美国的 First solar公司制备的。碲化镉薄膜太阳能电池己经走向规模生产，但是类似于砷化镓薄膜太阳能电池，其中的镉元素有毒，并且碲资源有限也使其在推广使用上受到了很大的限制。
2.5 CZTS 太阳能电池
Cu2ZnSnS 4(CZTS)材料具有直接带隙能量(范围从 1.0 eV到 1.5 eV)和高的吸收系数(>104 cm-1)，这使其成为光伏薄膜领域一种可行的选择。与CIGS相比，基于 CZTSSe的材料由地球上含量丰富的元素组成，因此，它是低成本和高效率的地球丰富的薄膜太阳能电池非常有希望的候选者。
作为有希望的薄膜光伏材料，CZTSSe 由于其合理的性能和合金成分，有可能替代市售的CIGS。CZTSSe太阳能电池的许多合成路线已达到接近或高于 10％的光电转换效率，FangyangLiu 等人通过改善 p—n 结处不理想的异带偏移，有效地提高了 CZTS 太阳能电池的开路电压，使其高达 762 mV。他们主要通过采用 Zn0.35 Cd 0.65S作为新型缓冲材料，获得了光电转换效率为9.2％的纯硫化物CZTS太阳能电池。
2.6 有机太阳能电池OPV
有机光伏(OPV)太阳能电池旨在提供丰富的低能耗光伏(PV)解决方案。这种技术还具有比第一代和第二代太阳能技术更低的成本提供电力的理论潜力。由于可以使用各种吸收器来制造有色或透明的 OPV设备，因此该技术对建筑一体化光伏市场特别有吸引力。有机光伏技术的效率已经接近 11％，但效率的限制以及长期可靠性仍然是其发展的重大障碍。
与大多数无机太阳能电池不同，OPV电池使用分子或聚合物作为吸收剂，从而产生局部激子。该吸收剂与电子受体(例如富勒烯)一起使用，其具有促进电子转移的分子轨道能态。在吸收光子时，所得到的激子迁移到吸收材料和电子受体材料之间的界面。在界面处，分子轨道的能量失配提供了足够的驱动力来分裂激子并产生自由的载流子(电子和空穴)。
目前已经证明有机光伏(OPV)模块的光电转换效率已达到 9.5％(25 cm2 )和 8.7％(802 cm2)。模块设计和涂层技术都有了持续研究并用于模块开发。为了实现高效模块，Shigehiko Mori等人将光活性面积与指定照明面积的比例提高到 94％，而无需任何划线工艺，并放置绝缘层，以减少漏电流。弯液面涂覆法用于制备缓冲层和光活性层。这种技术确保厚度变化小于 3％的均匀和纳米级厚度层的制造。此外，发现 OPV在室内照明下的光电转换效率高于常规 Si 型太阳能电池的 PCE。这表明 OPV有望成为室内可应用的电源。因此，Shigehiko Mori 等人还开发了几种电子集成光伏(EIPV)的原型，如电子货架标签和嵌入我们的OPV模块的无线传感器，可以由室内灯操作。
2.7 染料敏化太阳能电池(DSSC)
染料敏化太阳能电池(DSSC)于1991年由瑞士科学理工学院(EPFL)的 Michael Gräetzel 教授和Brian O'Regan 博士发明，通常被称为 Gräetzel 电池。DSSC 是一种开创性的技术，可用于在室内和室外广泛的光线条件下生产电力，使用户能够将人造和自然光转换为能量，为各种电子设备提供动力。
染料是 DSSC 的光活性材料，一旦被光敏化，就能产生电能，染料捕获入射光(阳光和环境人造光)的光子，并利用其能量激发电子，与光合作用中叶绿素作用一致，染料将这种激发的电子注入到二氧化钛(一种常见的白色颜料)中。电子被纳米晶体二氧化钛(二氧化钛的纳米级结晶形式)导出。然后，电池中的化学电解质封闭电路，使电子返回到染料中，这些电子的运动产生能够收集到的可充电电池、超级电容器或其他电气装置中的能量。
目前，科学家们已经合成了一系列含有不同供体和对隔离物的吡啶并[3，4-b]吡嗪类有机敏化剂(PP-I 和 APP-I-IV)，用于染料敏化太阳能电池(DSSCs)，并可以通过密度泛函理论(DFT)分析染料的吸收光谱性质。Michael Gräetzel等人通过引入辛氧基二苯胺基作为电子给体有效地改善了基于 APP-IV 的染料敏化电池的 Jsc和 Voc，使得电池的效率达到目前最高的7.12%。
2.8 量子点太阳能电池
量子点是一类特殊的半导体，它们是由 II—VI、III—V或 IV—VI材料的周期性基团组成的纳米晶体，可以限制电子(量子限制)。当量子点的尺寸接近材料的激子玻尔半径的大小时，量子限制效应变得突出，电子能级不再被视为连续带，它们必须被视为离散能级。因此，量子点可以被认为是具有能隙和能级间隔的人造分子，其尺寸取决于其半径。能量带隙随量子点尺寸的减小而增加。随着量子点尺寸的增加，其吸收峰由于其带隙的收缩而发生红移。量子点的可调节带隙的优异性能使构建能够吸收更多太阳光谱的纳米结构太阳能电池成为可能。量子点具有大的固有偶极矩，这可能导致快速的电荷分离。
量子点为光伏提供了一个有吸引力的选择。由胶体量子点(CQD)制成的多结太阳能电池已经能够在实验室中实现约 7％的转换效率。尽管与硅太阳能电池相比，这样的数字似乎并不太令人印象深刻，但据计算得到的理论转换效率可以达到 65％。实现这个理论值是可能的，因为当单个光子被量子点吸收时，它产生多于一个的结合的电子—空穴对或激子，从而可以使得单结硅电池的正常转换效率倍增。目前，麻省理工大学(MIT)的研究人员已经提出了量子点太阳能电池的生产线，并且能够生产 9%的电池。他们团队可以使用廉价的生产方法来生产，将会有效地降低生产成本。
钙钛矿是自然界常见的一类晶体结构，于 19世纪中叶在钛酸钡矿石中被发现，其通用化学式为 ABX3 。目前世界上已发现的具有钙钛矿晶体结构的材料有上百种，材料性能差异巨大，其中绝缘性、逆铁电性、压电性、热电性、半导性、导电性、超导性等，在实际生产生活中被大量利用。有机无机杂化钙钛矿材料是一个庞大的家族，A位通常是有机阳离子，嵌入 BX 3 的无机骨架 ，构成长程有序的晶体 。 甲胺碘化铅(CH3NH 3PbI3 )是其中的典型代表，具有优异的光电学特性，包括：(1)低缺陷态浓度；(2)高吸收系数；(3)高荧光量子效率；(4)高载流子迁移率，所以是非常理想光伏材料。更为特殊的是，钙钛矿的各种光电学特性与其化学组分密切相关，通过对组分的调整能够精确控制其光电学性能。溶液法制备的半导体钙钛矿在可打印电子应用中很受关注。
有机无机钙钛矿材料最早被用作染料，在染料敏化太阳能电池中(DSSC)率先使用。DSSC电池结构包含三种组分，介孔型 n型 TiO2 作为光电极吸附一种吸光染料，这个复合结构再和氧化还原电解液填充在一起连接到对电极。光照时，光子被染料吸收并激发产生电子空穴对，电子空穴分别被 TiO 2 和电解液萃取流入电极，形成回路输出电能。传统 DSSC 采用 10 μm 厚的薄膜来吸收所有阳光。在 2006 年到 2008 年间，T. Miyasaka和其同事为了寻求替代传统染料的吸光材料，首次采用了有机无机杂化钙钛矿材料。他们采用了CH 3 NH3PbI 3 和 CH 3NH 3 PbBr 3为吸收体，与碘/碘三氧化还原剂或聚吡咯炭黑复合固态空穴导体搭配，实现了效率为 0.4%到 2%的光伏器件。2009年，钙钛矿敏化太阳能电池的工作首次发表在同行评审期刊美国化学会志上，其中CH 3NH 3 PbI3，如图 3所示，为其晶体结构搭配碘/碘三氧化还原剂的钙钛矿敏化电池达到了3.5%的效率。
典型的晶体硅太阳能电池主要包括单晶硅或多晶硅太阳能电池，图 2所示为其典型单晶硅背表面电池(PERC)结构示意图。单晶硅电池由伪正方晶硅晶片制备而成，通过切克劳斯基(Czochralski)工艺生长的晶粒，通过浮选区技术，带生长或其他新兴技术进行基底的切割。传统的多晶硅太阳能电池是由在石英坩埚中铸造的铸锭切割的方形硅衬底制成的。由于硅电池表面反射、载流子收集、复合和寄生电阻的基本设计限制导致最佳器件的理论效率约为 25%，但因为晶硅太阳能电池具有可大面积制备且产业化已经达到相当纯熟的地位，所以未来短期内其在太阳能电池领域的地位是别的电池无法撼动的。 此后的几年中，韩国的 N. G. Park 率领其课题组，通过优化二氧化钛表面和钙钛矿加工工艺来提升电池性能，电池效率达到了 6.5%。然而，基于电解液的钙钛矿敏化电池的问题是，电解液会溶解和腐蚀钙钛矿材料，这使得当时的电池寿命仅能维持在几分钟。解决办法是采用固态空穴传输材料来替代传统的液体电解质。在这个方面，两个团队的合作分别同时取得了突破性的成果(Herny Snaith，T. N. Murakami和 T. Miyasaka的合作，以及 N. G. Park和 M. Gräetzel的合作)。全固态钙钛矿电池采用了 spiro-OMeTAD 作为空穴传输体，分别采用了混合卤化物 CH 3 NH3 PbI3-x Clx 钙钛矿和 CH3 NH3 PbI3 钙钛矿，获得了 8%到 10%的效率。比起染料，钙钛矿材料在光电极上的吸附量更大，所以耗尽阳光所需要的薄膜更薄，仅为 500 nm。这个特性满足了固体电解质厚度小于2 μm的要求，解决了传统器件中充分吸收光线和产生光电流导出的矛盾。
钙钛矿太阳能电池发展史上另一个重大突破来自于 Henry Snaith 课题组的发现。当他们在测定钙钛矿敏化电池的电荷传输特性时，发现钙钛矿敏化电池的电荷传输速率远远高于传统的DSSC。据此他们猜测电池中的光生电子绝大部分长程输运发生在钙钛矿相内，而非 TiO2 中。为了进一步验证这一想法，他们制作了用绝缘的介孔 Al 2O3 材料(其微观形态类似 TiO 2)代替了 TiO2 材料的电池，希望由此来验证钙钛矿相中是否存在电子传输，以及 TiO 2是否必要。结果令人惊喜，采用 Al 2O 3 的电池表现出更快的电荷传输性能，在光电流不变的情况下，开路电压得到显著的提升，电池的效率一下子就上升到了 10.9%。同时，这一发现也指出了钙钛矿太阳能电池可以不依赖传统 DSSC的电池结构，平面异质结构的钙钛矿太阳能电池也呼之欲出。
进一步的研究发现，钙钛矿材料有着良好的双极平衡的电荷输运特性。在传统上的 DSSC中钙钛矿显示出良好的 p型半导体的特性，但也在Al2 O3替代的电池中也表现出了 n 型半导体的特性。Etgar等人也证实了以金作阴极简单组分的二元 TiO2—CH 3NH 3 PbI3电池在模拟全光照条件下也能达到 5%的效率。Lee等人首次实现了采用 P—I—N结构的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率也能达到 2%。更进一步的研究显示，通过调整固态钙钛矿薄膜吸光层厚度到 300 nm时，在保证器件吸光的同时，能够实现有效的电子和空穴的输运和收集。Snaith 课题组通过气相沉积制作的平面异质结钙钛矿电池拥有超过 15%的超高效率。这最终证明了钙钛矿有良好的双极输运效应，可以承担光伏运作、光线吸收、电荷产生和电子空穴输运的首要角色。控制好钙钛矿吸收体与 p型和 n型材料的接触特性，可以最大化 PIN异质结钙钛矿太阳能电池的性能。
与其他技术比较，钙钛矿电池最突出的优点是开路电压损耗非常小，也就是吸收材料禁带宽度和电池工作条件下开路电压之差很小，这是未来发展出高效率电池的一个非常重要的先决条件。太阳能电池吸收阳光并把它转化为电能。阳光有很大的光谱，阳光照射到电池上，光子能量小于禁带能量的光子不会被吸收，在禁带以上光子被吸收后能够把电子从价带激发到导带。较高能量的电子能够弛豫回到导带边缘，多余的能量以热量释放。太阳能电池的开路电压，和器件从被吸收的光子中得到的最大能量正相关。被吸收的最小能量的光子的电势与开路电压之差可以衡量电池基本能量损失的大小。被吸收的带有最少能量的光子能由吸光材料的禁带宽度确定，典型的甲胺碘化铅钙钛矿禁带宽度大约为 1.55 eV(800 nm)，能级示意图如图 4 所示，这种电池的开路电压为 1.1 V，故其能量损失为 450 meV。目前钙钛矿光伏技术的开压损失仅次于 GaAs，与单晶硅电池相当。