制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换效应。根据所用材料的不同。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又可分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形。
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，在实验室里最高的转换效率为23%，规模生产时的效率为15%。由于硅太阳能电池技术相对较成熟，且半导体材料的禁带不是太宽，光电转换率较高，材料本身不造成污染，所以硅是目前最理想的太阳能电池材料。在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅太阳能电池比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜太阳能电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜太阳能电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。
单晶硅和多晶硅太阳能电池是对P型（或N型）硅基片经过磷（或硼）扩散做成PN结而制得的。单晶硅太阳能电池因限于单晶的尺寸，单片电池面积难以做得很大，目前比较大的直径为10cm～20cm的圆片。多晶硅太阳能电池是用浇铸的多晶硅锭切片制作而成，成本比单晶硅太阳能电池低，单片电池也可以做得比较大（例如30cm×30cm的方片），但由于晶界复合等因素的存在，效率比单晶硅太阳能电池低。现在，单晶硅和多晶硅太阳能电池的研究工作主要集中在以下几个方面。
1）用埋层电极、表面钝化、密栅工艺优化背电场及接触电极等来减少光生载流子的复合损失，提高载流子的收集效率，从而提高太阳能电池的效率。澳大利亚新南威尔士大学格林实验室采用了这些方法，已经研发出目前硅太阳能电池界公认的在AMl.5条件下24%的最高转换效率。
2）用优化抗反射膜、凹凸表面、高反向背电极等方式减少光的反射及透射损失，以提高太阳能电池效率。
3）以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，固化正背电极的银浆、铝浆的丝网印制工艺，改进硅片的切、磨、抛光等工艺，以提高太阳能电池效率。
计算表明，若能在金属、陶瓷、玻璃等基板上低成本地制备厚度为30μm～501μm的大面积的优质多晶硅薄膜，则太阳能电池制作工艺可进一步简化，成本可大幅度降低，因此多晶硅薄膜太阳能电池正成为研究热点。
以下将分别对几种最重要的硅太阳能电池加以介绍。
1.单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池由于是经由圆柱形的晶锭裁切而成，并非是完整的正方形，造成了一些精炼硅料的浪费，所以制作成本较贵。因此大部分的单晶硅四个角都会有空隙，外观上很容易分辨。单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已经成熟，产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。
单晶硅太阳能电池以高纯度的单晶硅棒为原料，纯度要求达到99.999%，制作时将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3mm。硅片经过抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行，这样就在硅片上形成PN结。然后采用丝网印刷法，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减少光反射材料，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。制成的单晶硅太阳能电池的单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格采用串联和并联的方法构成一定输出电压和电流的太阳能电池组件。最后用框架和材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。单晶硅太阳电池的特征如下。
1）原料硅的藏量丰富。由于太阳光的密度极低，故实际上需要大面积的太阳能电池，因此对于原材料的供给量相当重要。
2）硅的密度低，材料轻，硅材料本身对环境影响极低。
3）与多晶硅及非晶硅太阳电池比较，其转换效率较高。
4）发电特性稳定，耐久性约有20年。
5）在太阳光谱的主区域上，光吸收系数只有103cm-l。为了增强太阳光谱吸收性能，需要l00µm厚的硅片。
目前单晶硅太阳能电池的开发主要在降低成本和提升效率两方面展开工作，单晶硅太阳能电池的转换效率为15%～17%，由单晶硅太阳能电池构成的太阳能电池组件的转换效率约为12%～15%，太阳能电池组件的转换效率的定义是依照该组件中最低太阳能电池转换效率为基准，而不是取太阳能电池的平均转换效率。
太阳能电池普及化的最重要问题就是要开发出性能价格比高的太阳能电池，实际上在太阳能电池中参与光电转换的仅是半导体表面几微米的一薄层。目前最为常用也是最成功的制备技术是采用热分解SiH4气体的气相沉积法，在蓝宝石上沉积得到单晶硅薄膜。
2.多晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池相比较虽有其优点，但因价格昂贵，使得单晶硅太阳能电池在低端市场上的发展受到阻碍。而多晶硅太阳能电池则首先要降低成本，其次才是注重效率。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池虽然结晶构造不一样，但光伏原理一样。使多晶硅太阳能电池降低成本的方式主要有以下三个原因。
1）绝化过程没有将杂质完全去除。
2）使用较快速的方式让硅结晶。
3）避免切片造成的浪费。
由于以上这三个原因，使得多结晶硅太阳能电池在制造成本及时间上都比单晶硅太阳能电池低和少，但也由此使得多晶硅太阳能电池的结晶构造较差。多晶硅太阳能电池结晶构造较差的主要原因有以下两点。
1）本身含有杂质。
2）硅在结晶的时候速度较快，硅原子没有足够的时间形成单一晶格而形成许多结晶颗粒。
结晶颗粒愈大则效率与单晶硅太阳能电池愈接近，结晶颗粒愈小则效率愈差，而且结晶边界的硅原子键结合较差，容易受紫外线破坏而产生更多的悬浮键，随着使用时间的增加，悬浮键的数目也会随着增加，光电转换效率因而逐渐衰退，这是多晶硅太阳能电池的主要缺点，而成本低为其主要优点。
目前，多晶硅太阳能电池每100cm2单位面积的转换效率为15.8%（SHARP公司产品），在实验室中多晶硅太阳能电池每4cm2单位面积的转换效率为17.8%，多晶硅太阳能电池的一般转换效率为10%～15%，多晶硅太阳能电池组件的转换效率为9%～12%。
常规的晶体硅太阳能电池是在厚度350µm～450µm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际耗费的硅材料更多。为了节省材料，人们从20世纪70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小，未能制成有价值的太阳能电池。(www.xing528.com)
为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜太阳能电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜太阳能电池。
化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4为反应气体，在一定的保护气（氛）下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层硅晶上沉积更厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜太阳能电池除采用了再结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。工业化生产的多晶硅太阳能电池的典型特性参数如下：Isc=2950mA；Uoc=584mV；填充因子FF=0.72；转换效率η=12.4%（测试条件：AM l.5，1000W/m2，25℃）。
多晶硅太阳能电池的其他特性与单晶硅太阳能电池类似，如温度特性、太阳能电池性能随入射光强的变化而变化等。从制作成本上来讲，多晶硅太阳能电池比单晶硅太阳能电池材料制造简便、节约电耗，总的生产成本较低，因此得到快速发展。但是，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还是优于多晶硅太阳能电池。
在太阳能光伏利用上，单晶硅和多晶硅太阳能电池发挥着巨大的作用。虽然从目前来讲，要使太阳能光伏技术具有较大的市场，被广大的消费者接受，就必须提高太阳能电池的光电转换效率，降低生产成本。从目前国际太阳能电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状砝、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因有以下几方面。
1）可供制作单晶硅太阳能电池的头尾料越来越少。
2）对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料。
3）多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动的浇铸炉每生产周期（50h）可生产200kg以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级。
4）多晶硅薄膜太阳能电池由于所使用的硅比单晶硅太阳能电池少很多，不存在效率衰退等问题，而且有可能在廉价衬底材料上制备。
5）多晶硅薄膜太阳能电池的成本远低于单晶硅太阳能电池，光电转换率近12.4%，高于非晶硅薄膜太阳能电池。
由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其工艺也被应用于多晶硅太阳能电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50µm，高度达到15µm以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在1min之内完成，采用该工艺在100cm2的多晶硅片上制作出的太阳能电池转换效率超过14%。据报道，目前在50µm～60µm多晶硅衬底上制作的太阳能电池效率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷技术的100cm2多晶硅片的太阳能电池转换效率超过17%，无机械刻槽在同样面积上效率达到16%，采用埋栅结构，机械刻槽的130 cm2多晶硅片的太阳能电池转换效率达到15.8%。
3.非晶系硅太阳能电池
开发非晶系硅太阳能电池的两个关键问题是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展。早在20世纪70年代初，Carlson等人就已经开始了对非晶硅太阳能电池的研制工作，近几年他们的研制工作得到了迅速发展，目前世界上已有许多公司在生产该类太阳能电池产品。非晶硅尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退效应，使得太阳能电池的性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是在制备的PiN层单结太阳能电池上再沉积一个或多个PiN层电池制得的。叠层太阳能电池提高了转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题，这主要是因为以下几方面原因。
1）它把不同禁带宽度的材料组合在一起，提高了光谱的响应范围。
2）顶电池的本征层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证本征层中的光生载流子抽出。
3）底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小。
4）叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。
由于非晶硅具有十分独特的物理性能和在制作工艺方面的加工优势，所以逐步成为大面积的高效率太阳能电池的研究重点和核心之一。非晶硅对太阳光有很高的吸收系数，并产生最佳的光电导值，是一种良好的光导体；很容易实现高浓度掺杂，获得优良的PN结；可以在很宽的组分范围内控制它的能隙变化。
非晶硅中由于原子排列缺少结晶硅中的规则性，缺陷多。因此在单纯的非晶硅PN结中，隧道电流往往占主导地位，使其呈现隧道电流特性，而无整流特性。为得到好的二极管整流特性，一定要在P层与N层之间加入较厚的本征层i，以扼制其电流，所以非晶硅太阳能电池一般具有PiN结构。为了提高效率和改善稳定性，有时还制作成多层PiN结构的叠层电池，或是插入一些过渡层。
非晶硅太阳能电池是发展最完整的薄膜式太阳能电池，其结构通常为PiN（或NiP）结构，P层跟N层主要作为建立内部电场，本征层则由非晶系硅构成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此本征层厚度通常只有0.2μm～0.5μm。其禁带宽度范围约1.1eV～1.7eV，不同于晶圆硅的1.leV，非晶物质不同于结晶物质，结构均匀度低，因此电子与空穴在材料内部传导，如距离过长，两者重合几率极高，为必免此现象发生，本征层不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。为克服此问题，此类型太阳能电池采用多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。
非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为H2稀释的SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的太阳能电池工艺过程可分别制得单片太阳能电池和叠层太阳能电池。
非晶硅太阳能电池一般是用高频辉光放电等方法使硅烷（SiH4）气体分解沉积而成的，由于分解沉积温度低（200℃左右），因此制作时能量消耗少，成本比较低，且这种方法适于大规模生产，单片太阳能电池面积可以做得很大（例如0.5m×1.0m），整齐美观。目前非晶硅太阳能电池的研究已经取得两大进展：
1）三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13%。
2）三叠层太阳能电池年生产能力达到5MW。
非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的市场潜力，但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳能电池可以做得很薄，通常硅膜厚度仅为1μm～2μm，是单晶硅或多晶硅太阳能电池厚度（0.5mm左右）的1/500，所以制作非晶硅太阳能电池资源消耗少。
非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子而使其具有光疲劳效应，针对非晶硅太阳能电池的长期运行稳定性问题。近十年来经努力研究，虽有所改善，但尚未彻底解决问题，故尚未大量推广应用。
现在非晶硅太阳能电池的研究主要着重于改善非晶硅膜本身性质，以减少缺陷密度，精确设计电池结构和控制各层厚度，改善各层之间的界面状态，以求得高效率和高稳定性。目前非晶硅单结电池的最高效率已可达到14.6%左右，工业化生产的可达到8%～10%，叠层非晶硅太阳能电池的最高效率可达到21.0%。
由于材料特性上的限制，对于非晶硅太阳能电池的效率，要再进一步提升的空间有限，目前比较具有成长潜力的应属多接面的串叠型太阳能电池。以硅为原料的太阳能电池其市场占有率为96%，其中单晶硅为39%，多晶硅为44%，而非晶硅则占13%。
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