传统太阳电池原理建立在半导体物理 pn 结的基础之上。基于能带理论对半导体的性质进行分析 ， 认为半导体的能带中存在导带和价带 ， 在导带和价带之间有带隙 。 当光入射到太阳电池上时 ， 大于带隙的光会被电池吸收 ， 将电子从价带激发到导带上 ， 成为可以自由移动的电子 ， 同时在价带留下空穴 。 这是半导体的本征吸收 ， 又叫带间吸收 ， 是太阳电池中最重要的吸收形式，也是太阳电池起作用的基础。能量小于带隙的光子不能发生带间吸收 ， 但有可能发生自由载流子吸收 、 缺陷吸收 ， 这取决于光伏材料的掺杂程度和材料质量 。 这些吸收通常对太阳电池光伏转换没有贡献 ， 有时还会使电池性能下降 ， 比如因自由载流子吸收发热而使电池性能下降等。

为实现太阳电池对能量小于带隙的光子的吸收 ， 并使其对光伏转换有贡献 ， 提出了双光子或多光子吸收机制 。 利用这种效应需要解决的主要问题是如何设计和实现带间能级的合理分布，以及如何在增大光利用率的同时，保证电池的开路电压。此外，还有上转换机制 ，利用上转换材料吸收能量小于带隙的光子，发出可以被太阳电池吸收的能量大于带隙的光子 。

目前的研究多集中在利用掺稀土发光材料实现上转换发光的工作上 ， 这方面存在的问题是如何提高转换效率。为减少载流子热弛豫而产生的能量损失 ， 近来提出了叫作多激子产生 ( Multiple ExcitonGeneration ， MEG )的机制，并已对其进行了初步研究。在 MEG 方面进一步作深入研究，有提高太阳电池转换效率的极大潜力。减少载流子热弛豫能量损失的另一种机制是下转换机制 ， 利用下转换材料吸收能量远大于带隙的光子 ， 发出可以被太阳电池吸收的能量略大于带隙的光子 。 在下转换方面的研究基本仍停留在概念性研究上，急待解决的问题很多。降低载流子输运过程中的复合是提高转换效率的关键 。 目前的研究结论将复合分为三种:在禁带中的陷阱(缺陷)复合、辐射(带间)复合、以及俄歇复合。常规电池来讲 ， 对限制电池性能起主要作用的是缺陷陷阱复合。因此提高光伏材料质量，减少其中的缺陷 ， 包括体内缺陷和表面缺陷(悬挂键)，是获得高效率光伏转换的关键。

近年来 ， 光伏材料的研究主要集中在以晶硅材料为代表的体材料 、 薄膜材料及低维纳米材料等方面。

(I) 晶硅材料:制备晶硅材料成熟的方法是西门子法，冶金级硅与氯化氢反应生成三氯氢硅 ， 然后用氢气还原得到 9N 的高纯硅 。 这种方法耗能很高 。 实际上 ， 用于太阳电池的硅材料并不需要如此高的纯度。 6N 就可以保证获得较高效率。为此，世界范围内都在研究低成本获得 6N 纯度硅的方法 。 一方面是化学法的改进 : 德国 Waker 公司开发的硫化床法 ，采用硅颗粒代替西门子法中的硅棒，提高了气源利用率，从而降低了耗能;日本德 山Tokuyama 公司开发了液态硅表面淀积技术 ; 挪威 REC 则开发了热分解硅烷技术 ; 日本智 索Chisso 开发了锌还原四氯化硅技术 ， 尽管这些技术耗能有所下降 ， 但仍然较高 。 物理法方面的进展主要有挪威 lkem 公司，采用多次精炼加酸洗的方法，可以将耗能降低到 25 –30kWh/kg ;日本川崎 Kawasaki ，采用区熔定向凝固，然后去除头尾料，再用电子束熔融去硼 ， 之后再次区熔定向凝固 ， 采用等离子体熔融去磷和碳 。

但是 ， 到目前为止 ， 尽管物理法取得了一些进展，但最高纯度也只做到了 5N 。利用这些材料制备的电池光致衰退严重。物理法制备 6N 硅具有吸引人的广阔前景 ， 但仍有很多问题没有解决 ， 最关键的没有找到低成本除磷硼的有效方法。高纯硅料获得后 ， 有两种途径来制备硅片 ， 一种是通过直拉或区熔等工艺制成单晶硅棒 ， 然后处理切片 ; 另一种是通过铸锭工艺制成多晶硅锭 ， 然后处理切片 。 由于铸锭工艺步骤简单，能量消耗少，并且由此所获得的多晶硅太阳电池的转换效率并不会比单晶低很多 ，具有更高的性价比 ， 多晶硅太阳电池已经逐渐取代单晶硅电池成为了光伏市场的主导 。 但是 ，多晶硅铸锭工艺仍然很不完善 ， 如何有效防止铸锭过程中的杂质污染 、 如何控制多晶硅晶粒的垂直定向生长、以及如何进一步降低成本都是迫切要解决的问题。在后续的切片过程中 ，如何减少硅料的损失量 、 如何实现薄硅片切割 、 如何减少硅片表面的损伤等也是光伏领域关注的重要方面。

(II) 薄膜材料 :薄膜化是降低电池成本的有效手段。这些材料的研究是和电池同步进行的。目前发展的薄膜电池主要有:硅基薄膜电池，多元化合物薄膜电池，光电化学电池 ，比如:染料敏化太阳电池，有机薄膜电池等。硅薄膜电池是这其中最成功的薄膜电池。最初采用的是 a-Si:H 材料，但与体硅相 比a-Si:H 电池效率较低。而且， a-Si:H 材料微结构的亚稳态属性决定了其具有光致不稳定性 ，即 S-W 效应。为了克服这种负面效应，发展了 nc-Si ， μ c-Si 和 poly-Si 薄膜电池以及多叠层电池 。 如何高速生长均匀稳定的晶化硅薄膜成为国际上研究的热点和难点 。 此外 ， 为了实现带隙调节，还往里引入了碳组分或者锗组分。目前，初始效率达到 15% 以上的高效硅薄膜电池就是 a-Si/a-SiGe/a-SiGe 三叠层电池。在材料研究方面，硅基薄膜材料引入的界面缺陷会限制性能的提高，成为需要解决的重点问题。此外，研究气源分解、淀积、成膜机制 ，提高气源利用率是急待解决的重要方向。

多元化合物薄膜太阳电池主要包括砷化镓等 Ⅲ - Ⅴ 族化合物 、 硫化镉 、 碲化镉及铜铟镓硒( CIGS )系薄膜电池等。比如 GaAs 能量转换效率通常都比较高，但由于这种高效电池采用 MOCVD 外延工艺制造，成本高，主要用在聚光系统中。人们一直致力于解决各种不同组分层之间的晶格匹配及热力学匹配等问题 。 并已经取得很大进展 ， 小面积多结 GaAs 电池的效率已超过 40% 。目前碲化镉系电池实验室效率达到 16% 以上，但如果作为大规模生产与应用的光伏器件，则必须考虑环境污染问题。铜铟镓硒( CIGS )是极具潜力的制备低成本电池的薄膜材料 ， 其能量转换效率 、 使用寿命和抗辐射性能力均超过当今多晶及非晶薄膜太阳电池研究的最高纪录。如何提高光伏材料性能和稳定性是 CIGS 研究的重点;另外 ，将其推向大规模生产应用的光伏市场 ， 还必须要深入研究贵金属铟的供给是否会发生短缺等问题。光电化学电池面临的问题是对太阳光吸收大的窄带半导体在电解液中稳定性差 。 解决这个问题的一种有效途径是染料敏化太阳电池( DSSC )，利用可以有效吸收太阳光的染料来对宽带隙的氧化物半导体进行敏化 。 1991 年瑞士洛桑高等工业学院 Gratzel 教授等首次将纳米晶多孔 TiO2 膜作半导体电极引入染料敏化电极中，在 AM1.5 条件下的光电转换率可达 7.1% 。由于染料敏化太阳电池制作工艺简单，成本低廉，引起了各国科研工作者的广泛关注，但这种电池的效率和稳定性仍然需要进一步提高。有机物太阳电池生产成本极低 ， 容易制作 ， 材料来源广泛 ， 同时具有柔性 ， 可以大大拓宽太阳电池的应用范围 。 在材料研究方面 ， 主要是改善有机材料对太阳光谱的吸收 、 调节吸收材料的带隙 、 同时提高其载流子迁移率 。 如何获得低 HOMO 能级的窄带隙有机材料是一大难题 。

目前 ， 有机太阳电池的实验室效率已经达到了 6% 以上 。 提高效率和稳定性是以后的研究重点。需要进一步开发高性能的光电新材料，以及电池新结构。除此之外，光伏材料的研究还包括氧化物体系，比如 Cu2O ， ZnO 等;无机纳米晶材料 ， 比如 CdTe 纳米晶等 ; 以及有机无机杂化材料等 。 在这些材料的制备和性能改进方面都有进展，但仍然都不成熟。

(III) 低维纳米材料:纳米微结构材料的晶粒尺寸与载流子的散射长度是同数量级的 ，散射速率减小 ， 增长了载流子的收集效率 ; 微结构可以调节能带结构 ， 控制微结构尺寸可以吸收特定能量范围的光子 ; 利用纳米微结构开发叠层电池 ， 可以实现对太阳光谱的全谱吸收 ;量子阱超晶格中的微带效应 ， 可大大提高光电转换效率 ; 低维材料热载流子辐射收集时间比能量弛豫时间短 ， 可以以此开发热载流子电池 ; 量子点阵列的量子隧道效应 ， 可以避免很多材料性能对载流子输运产生的限制，抑制载流子复合，提高载流子输运效率。正因如此 ， 低维纳米材料 ， 特别是量子点材料被认为可以用来开发超高效太阳电池 。 特别是 ， 上面提高 的MEG 效应，更是指出了量子点材料在高效太阳电池制备中的巨大潜力。但是，这方面的研究仍然属于前沿技术 ， 尽管近年来已经成为了研究热点 ， 但还没有真正开发出具有实用价值的器件。