太阳能电池是一种通过光伏效应将光直接转化为电的电子器件。其有源材料通常是半导体，能够吸收入射辐射，产生可由导电接触收集的载流子。太阳能电池是光伏技术的基本发电单元：多个电池互相连接构成组件，通常称为太阳能电池板；多个组件又可组成更大的阵列。与太阳能热利用设备不同，光伏器件不需要先将阳光转化为热，再进行后续转换。(energy.gov)
工作原理
光以离散的能量包携带能量，这些能量包称为光子。当半导体吸收一个能量合适的光子时，电子便可能获得足够的能量，进入可自由移动的状态，同时留下一个表现为正电荷载流子的电子空穴。产生这些载流子只是整个过程的一部分：器件还必须在它们复合之前将其分离并收集。载流子选择性层和接触使器件在光照下产生电压，并驱动电流流过外部电路。(energy.gov)
许多传统太阳能电池采用PN结，它由电学性质不同的半导体区域接合而成。半导体掺杂通过可控地引入杂质，改变电子和空穴的数量。内部电场有助于分离光生载流子，金属接触则收集由此形成的电流。其他结构利用不同材料之间的界面和载流子选择性层来实现类似功能。(energy.gov)
半导体的带隙在很大程度上决定了它能够利用哪些波长的光。能量不足的光子通常无法通过常规的带间吸收产生电子—空穴对。远高于吸收阈值的那部分能量，大多以热的形式耗散。这些与光谱有关的损失有助于解释，为什么单一材料无法将全部入射阳光转化为电能。(energy.gov)
材料与结构
硅是应用最广泛的光伏半导体。晶硅电池通常以从硅锭上切下的薄硅片制造。单晶硅片具有单一的晶体结构，而多晶硅片则包含多个晶粒。电池的性能不仅取决于晶体质量，还取决于表面处理、结结构设计和电接触。表面制绒能使更多光进入电池，而保护层和钝化层则可改善器件性能。(energy.gov)
薄膜光伏采用沉积在玻璃、金属或塑料等基底上的吸收层。成熟的材料包括碲化镉和铜铟镓硒。薄膜制造与硅片加工不同：薄膜可以大面积沉积，再通过图形化加工形成互相连接的条状电池。有机光伏采用碳基化合物，可实现柔性或可调的透明度，但效率和工作寿命仍是重要的制约因素。(energy.gov)
钙钛矿太阳能电池采用具有钙钛矿型晶体结构的吸收材料。其薄层可通过涂布、印刷或真空沉积制备，但耐久性和规模化制造仍是主要研究难题。多结太阳能电池将不同带隙的吸收材料组合起来，使依次排列的各层能够吸收太阳光谱中的不同部分。在高效率足以抵偿复杂制造工艺的应用场景中，Ⅲ—Ⅴ族半导体多结器件尤其重要，空间应用便是其中之一。(energy.gov)
性能与效率
转换效率是输出电功率占入射光功率的比例。由于输出功率同时取决于电流和电压，因此需在提供最大功率的工作点进行评估：
测量时必须规定光照条件和电池温度，使结果具有可比性。电流—电压曲线反映器件在不同电负载下的响应；其最大功率点既不同于开路状态，也不同于短路状态。(energy.gov)
效率损失源于光的反射或透射、载流子复合，以及吸收的能量转化为热。缺陷和界面可能为复合提供途径，从而减少所收集的电流。减反射涂层和绒面结构可降低光学损失。工作温度升高通常会使电流略微增大，但电压的下降更为显著，因此输出功率会降低。由此可见，电池效率本身并不能单独决定整套装置在长期运行中所提供的电量。(energy.gov)
制造与系统集成
晶硅生产包括提纯、硅锭生长、硅片切割和电池制造。电池制造通常涉及化学制绒、掺杂、制备改善性能的涂层，以及金属化。在组件组装过程中，电池通过电路互相连接，并封装在玻璃和聚合物封装材料之间，由背板或另一片玻璃提供保护。再安装边框、接线盒和电缆，便完成了组件的组装。(energy.gov)
太阳能电池产生直流电。逆变器将其转换为交流电，供常规电器使用或送入电网。安装支架用于支撑组件，跟踪机构则可改变组件的朝向，使其跟随太阳。光伏系统还可以配备电池，用于储存产生的电能，而不是发电。建筑一体化光伏将组件融入屋顶、建筑立面或玻璃构件，而非仅将其作为单独安装的设备。(energy.gov)
技术发展与寿命终结管理
1954年，贝尔实验室的研究人员开发出实用的硅太阳能电池，能够将阳光转化为可观的电力输出，这是一个重要的里程碑。此后，光伏技术的发展一直致力于提高效率、降低制造成本，并改善采用成熟材料及新兴材料的器件的可靠性。(nokia.com)
寿命终结管理既涉及完整组件，也涉及其中的半导体电池。玻璃和铝占组件材料的很大一部分，但分离粘合在一起的各层并回收其他材料，使回收利用变得更加复杂。相关研究包括采用更易拆解的设计、减少使用存在问题的材料，以及延长使用寿命，以便在组件退役前减少废弃物的产生。(energy.gov)