光伏發(fā)電，是利用半導(dǎo)體材料的“光生伏特效應(yīng)”，將光能轉(zhuǎn)化為電能給負(fù)載供電的過(guò)程。其物質(zhì)基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料。顧名思義，半導(dǎo)體材料是導(dǎo)電性能介于是導(dǎo)體(如金屬)和絕緣體之間的材料，該材料能夠吸收太陽(yáng)光中的光子，體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)電荷(電子)和正電荷(學(xué)術(shù)上稱為空穴，按帶正電的粒子理解即可)，但正負(fù)電荷會(huì)在極短的時(shí)間聚合在一起，將得到的光能釋放。因此還需要一種結(jié)構(gòu)，使光照產(chǎn)生的正電荷和負(fù)電荷分離，使它們?cè)诎雽?dǎo)體的兩端積累(伴隨電壓的生成)，此時(shí)在半導(dǎo)體兩側(cè)印制電極，再用導(dǎo)線連接負(fù)載(如燈泡)形成電路，電路中就會(huì)有電流通過(guò)，為負(fù)載供電。這種結(jié)構(gòu)便是——PN結(jié)。

以半導(dǎo)體Si(硅)為例，在其中摻入高價(jià)態(tài)的磷原子，Si中就會(huì)有一些能自由運(yùn)動(dòng)的正電荷，稱為N型Si;在其中摻入低價(jià)態(tài)的硼原子，Si中就會(huì)有一些能自由運(yùn)動(dòng)的負(fù)電荷，稱為P型Si。使N型Si和P型Si連在一起，在連接的界面處正負(fù)電荷中和，剩下帶電的磷離子和硼離子，他們能起到分離光照產(chǎn)生的正電荷和負(fù)電荷的作用(就像半透膜)，該界面區(qū)便稱為PN結(jié)。

因此，當(dāng)光照在上述N型和P型Si的連接體時(shí)，N型Si和P型Si內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷(但正負(fù)電荷之間仍相互吸引束縛在一起)，它們?cè)谝欢〞r(shí)間內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)到半透膜PN結(jié)附近，由于PN結(jié)的作用，正電荷被送往P區(qū)，負(fù)電荷被送往N區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)分別帶正電荷負(fù)電，形成電壓。正電荷和負(fù)電荷的產(chǎn)生、分離和收集是光生伏特效應(yīng)的三大關(guān)鍵過(guò)程。

除了Si、Ge這樣的單質(zhì)半導(dǎo)體，還有化合物半導(dǎo)體(GaAs、Cu2Se等)乃至有機(jī)半導(dǎo)體材料，它們都可以制備成太陽(yáng)能電池。因08年左右多晶硅材料的價(jià)格高漲，各種薄膜太陽(yáng)能電池(CdTe、CIGS、染料敏化太陽(yáng)能電池等)的研究一度火熱，但隨著硅材料價(jià)格回歸理性，而薄膜電池存在成本和穩(wěn)定性等劣勢(shì)且轉(zhuǎn)換效率遇到瓶頸，硅(單晶硅和多晶硅)太陽(yáng)能電池基本上占領(lǐng)了商業(yè)化市場(chǎng)，取得了轉(zhuǎn)換效率與成本的平衡。

晶硅電池又分為單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池都采用半導(dǎo)體材料Si以及相同的電池片結(jié)構(gòu)(如上圖)：一般P型Si作為基底，表面擴(kuò)散磷形成PN結(jié)，外面再鍍一層減反射膜。不同之處在于單晶硅片切割自單晶硅棒、多晶硅片切割自多晶硅鑄錠。硅棒采取類似藍(lán)寶石等單晶材料的生長(zhǎng)方式，而Si錠的工藝路線類似鋼鐵材料，前者明顯較后者更精致，得到的半導(dǎo)體雜質(zhì)、缺陷更少，相應(yīng)的成本也更高(但近些年，單晶硅在后續(xù)切片過(guò)程中的成本優(yōu)勢(shì)基本抵消了多晶硅鑄錠的成本優(yōu)勢(shì))。單晶的特點(diǎn)是原子排列短程有序、長(zhǎng)程也有序，而多晶僅短程有序，存在晶界。

陽(yáng)能電池的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，PN結(jié)品質(zhì)的好壞直接決定電池光電轉(zhuǎn)換能力的高低。單晶硅片因具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，易制備高品質(zhì)的PN結(jié)，而多晶硅片由于內(nèi)部晶界、缺陷、雜質(zhì)等的大量存在，會(huì)嚴(yán)重影響pn結(jié)本身的品質(zhì)。導(dǎo)致pn結(jié)內(nèi)部旁路的增加，電池外在電性能則表現(xiàn)為開路電壓，填充因子的下降，并聯(lián)電阻的降低。

另一方面，單晶硅片完美的晶體結(jié)構(gòu)，極低的缺陷密度和雜質(zhì)含量，使其具有更高的少子壽命，即光照產(chǎn)生的正電荷和負(fù)電荷具有較長(zhǎng)的壽命，在被PN結(jié)分離前及輸運(yùn)至電極的過(guò)程中不會(huì)消失(被雜質(zhì)、缺陷捕獲)，而后被分離的正負(fù)電荷，經(jīng)由電極收集輸出，形成電流。電池外在電性能表現(xiàn)為電流的上升，效率的提高。

光伏制造產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)就是組件的轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)2015國(guó)際光伏技術(shù)路線圖，單晶在轉(zhuǎn)換效率方面優(yōu)勢(shì)更明顯，尤其PERC技術(shù)的量產(chǎn)，對(duì)于單晶效率的提升顯著。另外，從產(chǎn)業(yè)技術(shù)趨勢(shì)來(lái)看，單晶技術(shù)路線相對(duì)其他技術(shù)路線擁有更高的轉(zhuǎn)換效率和更大的效率提升空間，未來(lái)技術(shù)進(jìn)步的實(shí)現(xiàn)方式也以單晶為主。