光伏材料（光伏產業 materials），就是根據光生伏特效應，能將太陽能直接轉換成電能的材料。又稱光電轉換材料或太陽能電池材料。其原理是當物體受光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流。
1839年，A.-E.貝可勒爾觀察到浸在電解液中的電極之間有光致電壓，1876年，人們認識到光生伏特效應。1954年，美國貝爾實驗室的D.M.查平等研制出世界上第一塊真正意義上的硅太陽能電池。2009年，日本桐蔭橫浜大學的宮坂力將碘化鉛甲胺和溴化鉛甲胺應用于染料敏化太陽能電池，獲得了最高3.8%的光電轉化效率，成為鈣鈦礦光伏材料研究的起點。2014年以來，鈣鈦礦光伏材料一直在顯著提升，上升速率遠遠超過了其他類型材料。
光伏材料主要有無機材料、有機材料、石墨烯類材料以及鈣鈦礦型材料。光伏材料主要應用于太陽能光電利用領域。
定義
光伏材料是能將太陽能直接轉換成電能的材料，只有半導體材料具有這種功能。光伏材料又稱太陽電池材料( solar cell materials)。 可作太陽電池材料的材料有硅晶材料、薄膜電池材料、砷化鎵(GaAs)半導體材料以及其他類型太陽電池材料。硅晶材料包括直拉單晶硅、鑄造多晶硅和帶狀多晶硅，薄膜電池材料包括非晶硅薄膜、多晶硅(微晶硅)薄膜、碲化鎘(CdTe)和硫化鎘(CdS)薄膜、銅銦硒( CulnSe2)和銅銦硫薄膜(CulnS2) 薄膜。
太陽電池工業領域應用最廣的還是硅材料，包括直拉單晶硅、鑄造多晶硅、非晶硅薄膜、帶狀多晶硅和薄膜多晶硅，它們各有優點和缺點。前四種硅材料已在太陽能光電池工業中大量應用，占據著98%以上的市場份額。其中直拉單晶硅和鑄造多晶硅應用最為廣泛，占太陽能光電材料的90%左右。砷化鎵(GaAs)、磷化鋼(InP)等半導體材料主要用于不計成本的空間太陽電池上，其他材料尚處于開發階段。
原理
太陽能是一種必須借助能量轉換成電能才能夠供人類使用的輻射能。光伏電池就是可以把光能轉化成電能的能量轉換器。
通俗來講，光伏電池就是一塊面積較大的PN結，一旦有陽光照射，PN結的空間電荷區、P區及N區吸收光子能量后，產生電子一空穴對，空穴帶正電，電子帶負電；因二者極性相反而在半導體PN結的靜電場作用下分離后，帶正電的空穴聚集在Р區，帶負電的電子聚集在N區，故產生電動勢，因為是太陽照射產生的電動勢，所以稱它為太陽能電池，即光伏電池。光伏電池的發電原理如圖所示。
簡史
1839年，A.-E.貝可勒爾（Becquerel）觀察到浸在電解液中的電極之間有光致電壓，1876年，在硒[xī]的全固態系統中人們也觀察到了類似現象。當物體受光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流，這種現象就是光生伏特效應。
1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊真正意義上的實用硅太陽能電池，光電轉化效率達到6%左右，從此拉開了現代太陽能電池的研究、開發和應用的序幕。
20世紀50年代的單晶硅60年代的砷化鎵，70年代的非晶硅，80年代的多晶硅90年代的I-VI化合物，21世紀的有機和有機/無機雜化半導體，構成了光伏材料發展的歷史腳印。太陽能產業基本是建立在硅材料的基礎之上的，市場上90%以上的太陽能電池是用晶體硅制造的。單晶硅太陽電池是最早被研究和應用的，是太陽能電池的主要材料之一。單晶硅的晶體非常完整，材料純度很高，資源也很豐富，其禁帶寬度為1.12電子伏，是制備太陽能電池的較理想材料。但是，晶體硅是間接帶隙半導體材料，太陽能電池就必須有一定的厚度，以便吸收足夠的太陽光，加之晶體硅材料提純和加工的成本較高，使得硅太陽能電池的成本相對較高。經過學術界和產業界的共同努力和產業規模的不斷擴大，硅太陽能成本不斷降低。但其電力成本仍高于常規能源，阻礙了太陽能光電技術的更廣的應用。在硅材料太陽電池發展的同時，一系列化合物半導體太陽能電池發展迅速，如砷化鎵、CdTe、InP、CdS、CulnS2、CulnSe2、CIGS(Culn1-xGaSe2)等。其中GaAS(砷化鎵)是重要的太陽能電池化合物材料之一，它是直接帶隙半導體材料，禁帶寬度為1.42電子伏，具有較高的光吸收系數、抗輻射能力和寬的工作溫度范圍，其禁帶寬度更匹配太陽能光譜。因此，與單晶硅相比，GaAs單晶具有更高的理論轉換效率。主要是利用外延技術制備GaAs晶體，應用于空間太陽能電池。
有機光伏材料具有低成本、重量輕和分子水平上的可設計性等優點，使其具有很強的競爭力。但是，有機太陽能電池的效率仍然很低，穩定性問題也沒有解決。
2009年，日本桐蔭橫浜大學的宮坂力（Tsutomu Miyasaka）將碘化鉛甲胺和溴化鉛甲胺應用于染料敏化太陽能電池，獲得了最高3.8%的光電轉化效率，成為鈣鈦礦光伏材料研究的起點。該類材料直到2014年才被人們重視起來。在短短幾年間其效率一直在顯著提升，上升速率遠遠超過了其他類型材料。鈣鈦礦太陽電池一般采用有機無機雜化結晶材料一如有機金屬三鹵化物CH3NH3PbX3(X=CI、Br、l)作為光吸收材料。該材料具有合適的能帶結構，其禁帶寬度為1.5電子伏左右，因與太陽光譜匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能夠吸收幾乎全部的可見光并用于光電轉換。
分類
按材料類型分類，主要有無機材料和有機材料。有機光伏材料主要是一些具有大共軛結構的有機小分子化合物、有機染料分子、富勒烯及其衍生物等。優點是制備和表征較簡單，可根據需要進行設計和改變官能團，材料重量輕、制造成本低、加工性能好。
無機材料
無機單質
硅是一種重要的半導體材料，并且硅基太陽能電池由于技術成熟、光電轉化效率相對較高（理論轉化效率可達30％）、環境污染小等特點，已成為常用的太陽能電池材料。自硅太陽能電池問世以來，有諸多研究者從事對單晶硅太陽能電池材料的研究。以結構規整的單晶硅納米線和聚（３-己基噻吩）-［6，6］-苯基-Ｃ61-丁酸甲酯為原料，在玻璃基底上制作出混合太陽能電池，經性能測試后發現，該混合有機光伏電池中單晶硅納米線的電流密度由7.17mA/cm2提高到11.61ｍＡ/cm2。印度物理研究所提出一種內部光陷作用的高效硅太陽電池模型，可將轉換效率由18％提高到28.6％。雖然以單晶硅為原料的太陽能電池轉化效率較高，但單晶硅要求的純度較高，致使其制備工藝復雜，對設備要求較高，不利于大面積投產使用。
為了彌補此類太陽能電池的不足，多晶硅太陽能電池得以迅速發展，尤其是多晶硅太陽能電池是單晶硅電池最好的替代品，原因是成熟的薄膜制備技術明顯地降低了多晶硅的成本。有研究者制作出的多晶硅太陽能電池高開路電壓為1.31Ｖ，轉換效率達17.363％，填充因子為0.884。由于多晶硅晶界和晶粒取向的影響，導致其壽命比單晶硅太陽能電池低得多，并且轉換效率不高。較多晶硅太陽能電池而言，非晶硅太陽能電池的轉換效率有所提高，電池面積明顯增大。非晶硅基合金作為一種新型的電子材料在國際上的研究發展迅速，并已形成一個新技術產業部門。
單晶硅
對于單晶硅太陽能電池來說，硅不僅要很純，而且必須是晶體結構中基本沒有缺陷的單晶形式。用于制造硅太陽能電池用的硅材料是以石英砂中的SiO2為原料，先把石英砂放人電弧爐中，焦炭與二氧化硅中的氧反應生成二氧化碳和熔化的硅，得到冶金級硅，硅的純度為98% -99%; 冶金級硅再與氯(或氯化氫)反應得到氯化硅，經過精餾，使氯化硅的純度提高，再通過氫氣還原成多晶硅，硅的純度可達到99. 99%9 ~99. 999%。
多晶硅
多晶硅太陽能電池既具有單晶硅電池的高效、穩定、無毒( 毒性小)和材料資源豐富的優勢，又具有薄膜電池的材料省、成本低的優點。當用其作窄帶隙、電池與非晶硅電池制成疊層電池時，其理論效率更是達28%以上。
非晶硅
非晶硅是近代發展起來的一種新型的非晶態半導體材料。與晶體硅相比，非晶硅最明顯的特征是組成原子的短程有序、長程無序性；原子之間的鍵合十分類似晶體硅，形成共價無規則網絡結構。非晶硅的另一個特點是在非晶硅半導體中可以實現連續物性控制。在太陽能光譜可見光波長范圍內，非晶硅的吸收系數比晶體硅提高將近一個數量級，并且非晶硅太陽能電池的光譜響應峰值與太陽能光譜峰值接近，是非晶硅材料首選用于太陽能電池的原因。
Ｃ６０及其衍生物
C60（即富勒烯）是由60個碳原子組成的球狀分子。利用電化學方法，１個C60分子最多可以被６個電子還原?；贑60的太陽能電池中電子擴散長度較長（8～14nm），有利于電荷傳輸和收集，從而可提高電荷引出效率。2003年西班牙和奧地利利茲大學的研究人員利用激光誘導亞皮秒瞬態吸收譜研究了C60－酞菁鋅（C60－ＺnTB－Pc）二元體系，薄膜狀態下，由于分子間的相互堆積作用，使得光誘導電荷分離態的壽命比溶液中的壽命要長，達到0.2ms，并且該分子在太陽光譜的最大發射波長700nm處有最大吸收。將C60－ＺnTB－Pc直接在溶液中涂膜后制成器件，在80ｍＷ/cm2模擬太陽光條件下測得光電轉換效率為0.02％。
石墨烯類材料
石墨烯以其獨特的結構和優異的性能而廣泛應用于物理、化學及材料學等諸多領域。其中被寄予厚望的應用之一是高光電轉換效率的新一代太陽能電池。石墨烯的厚度極薄，且載流子遷移率也超高，這使它可以極大地降低透過率與導電性之間的相互影響，因此有望取代商業標準氧化銦錫。此外，石墨烯平整的二維結構也被認為是制作薄膜的理想結構。但是，結構完整的石墨烯具有化學穩定性高，表面呈惰性狀態的特征，與其它介質的相互作用力較弱，并且石墨烯片與片之間有較強的范德華力，容易產生團聚，使其難溶于水及常用的有機溶劑，這給石墨烯的進一步研究和應用造成了極大的困難。為了克服這一困難并充分發揮其優良特性，必須對石墨烯進行有效的功能化。功能化后的石墨烯作為電池材料，能使電池的性能明顯提高。名為“三維（３Ｄ）石墨烯”的新型廉價材料具有優良的導電性、較高的催化活性等特點，可替代太陽能電池中的鉑金屬，同時基本不會降低電池效率。
無機化合物
化合物半導體
太陽能電池材料化合物半導體（如GaGs，CdTe，Cu２ZnSns4等）用作太陽能電池材料受到科學界和商業界的高度重視。有研究者將金屬平面與GsAs納米層結合在一起制成納米結構的太陽能電池，該電池不僅保持了良好光學性質的納米結構，并且盡量減少了影響光電性能的負面因素。與此同時，獲得了光的良好吸收，載流子的高效收集，使得電池的能量轉換效率為17％，高開路電壓為0.982Ｖ。此外，以Cu、Zn、Sn、In、Se等元素化合物為材料的太陽能電池因其資源豐富、制作成本低而廣為研究。有學者利用簡單的化學方法在液相中首次合成Cu2ZnSnS4納米晶，在ＡＭ1.5G的大氣因子下，Cu2ZnSnS4納米晶化學太陽能電池的轉換效率為0.74％。然而，這些太陽能電池所用的材料中大多有毒，且有的是稀有元素，所以其發展受到很大限制。因此，開發無毒廉價的化合物半導體材料顯得尤為重要。
納米半導體
納米半導體用作光伏材料的原理與硅半導體相同。自1991年報道了一種新型的、基于納米TiO2的太陽能電池之后，以TiO2為電極材料的太陽能電池受到了科學家的廣泛關注。起初的研究以塑料為基底，但塑料基底對熱不穩定，當溫度太低（＜150℃）時，TiO2與塑料的黏結效果較差，不利于TiO2光學性能的提高。因此，研究人員嘗試用其它物質（如Ti、Zn、Ｗ、不銹鋼）作基底。此外，TiO2的復合物作為太陽能電池材料時，價格低于基于硅和化合物半導體的太陽能電池。
ZnO
ZnO是一種寬帶隙半導體，它雖與TiO2具有類似的能帶結構和物理性質，但具有較高的電子遷移率，這將有利于電子傳輸，在太陽能電池的使用過程中，降低了復合損失。研究人員在缺少氧分子的ZnCl2溶液中采用電沉積法制得了ZnO納米纖維束，并將其應用于太陽能電池。測試結果表明，該電池有效光吸收范圍為370～700nm。該工作不但為太陽能電池的研究提供了新思路，而且為通過表面處理控制重組納米結構太陽能電池的發展創造了可能性。另外，研究表明：由納米晶形成的具有較大比表面積的微米材料能提高光敏化電池的性能，原因是此類材料具有可提供較高染料載荷和光散射的雙重功能。ZnO的雙重功能已被應用到太陽能電池中。
SnS
SnS是一種新型太陽能電池材料。它的能帶間隙接近1.3eＶ，具有光吸收系數高，能進行不同結構器件的設計，在雙氰胺離子液體中利用電沉積法直接合成單相ｐ型SnS，光電化學測試表明，該SnS的間接光學帶隙為1.17eV，當光能超過1.4eV時，具有較高的光吸收。SnS作為太陽能電池材料的研究雖不多，但因其資源豐富、能大規模生產等特點，將成為今后研究的熱點。
鈣鈦礦型光伏材料
鈣鈦礦太陽能電池(PerovskiteSolarCells)因其兼具低成本溶液加工和優異光電轉換性能的優勢在國際上備受關注。短短幾年的時間其光電轉換效率已經從最早的3.81%提升到了近年的21.6%。鈣鈦礦材料具有可見光吸收強、載流子壽命長、遷移率高、帶隙可調以及可采用多種方式加工等優點與其他太陽能電池相比，采用鈣鈦礦材料的太陽能電池在成本、材料、制備、性能等諸多方面具有潛在的競爭優勢，與有機太陽能電池相比，鈣鈦礦材料的太陽能電池的光轉換效率已十分出色方。
“銅鋅錫硫硒”光伏薄膜
2025年9月，南京郵電大學柔性電子全國重點實驗室用溶液法獲得大面積“銅鋅錫硫硒”光伏薄膜，實驗團隊成功制備出有效面積達10.48平方厘米的光伏組件，經國際權威機構測試，該組件的光電轉化效率達10.1%，國際學術期刊《自然·能源》9月15日在線發表相關成果，并被國際《太陽能電池效率表》正式收錄。“銅鋅錫硫硒”技術路線的優勢在于原料儲量豐富、無毒、成本低，此次研究成果標志著用溶液法制備無機化合物柔性光伏材料不僅在理論上可行，而且具有產業化潛力。
有機材料
有機光伏材料主要是一些具有大共軛結構的有機小分子化合物、有機染料分子、富勒烯及其衍生物等。這類材料的優點是制備和表征較簡單，可根據需要進行設計和改變官能團，材料重量輕、制造成本低、加工性能好。
酞菁染料
最早的有機太陽能電池是在真空條件下把有機半導體染料（如酞菁等）蒸鍍在基板上形成夾心式結構。這類電池對研究光電轉換機理很有用，但蒸鍍薄膜的加工工藝比較復雜，有時候薄膜容易脫落。為了解決該類問題，研究者設計出金屬酞菁染料（MPc），其中Ｍ代表金屬，一般為Ｃu、Ｚn等。MPc是平面分子，該分子由４個異吲哚單元和18個離域電子構成。一般而言，MPc材料在約700nm有很強的吸收，與太陽光譜的最大峰位匹配最好，而且具有ｐ型半導體性質和良好的氧化還原特性，熱穩定性好，因此比較適合作太陽能電池中的給體。
應用領域
能源及電子領域
光伏技術最直接的應用是在太陽能電池中，但不應該忽視在數碼相機和許多其他應用中普遍使用的CMOS傳感器。傳統上，硅等半導體材料被用來制造太陽能電池。隨后，為了提高光電轉換效率( Photo Conversion Efficiency， PCE)， 金屬被加人其中，導致了光電探測器的發展，如肖特基探測器。納米級光捕獲層(如金屬納米顆粒)的實現已被證明可以增加光的濃度和散射，反過來又提升了PCE。此外，金屬光柵還有助于激發表面等離子體波，從而增加光子和電子之間的相互作用。
光伏材料支持的光電探測器已經被開發并用于許多應用。例如，量子點已被用于增加健康監測應用的光吸收。研究表明，基于碳納米管的光電探測器陣列可以進行精細分辨率成像?；谑┕怆娞綔y器陣列的腕帶已生產并用于健康監測。隨著光子系統需求的增加，光伏材料的使用將繼續產生精密、高性能的光子器件和高級應用。
建筑領域
太陽能是可再生能源在城市中應用的主要形式，世博會太陽能的利用主要集中于光伏建筑一體化應用，此外，還包括太陽能照明系統及太陽能熱水應用等。
日本館展示了一種太陽能薄膜一體化技術，場館是其有金屬光澤的淡紫色外殼，是雙層膜結構。兩張ETF王薄膜構成枕頭狀的空間單位，其中嵌入太陽能電池，是世界上首次采用的“發電膜”技術。日本館還展示了貼有透明薄型硅單晶太陽能電池的窗玻璃，兼具發電和透光功能，拓展了太陽能電池在建筑上的應用范圍。
參考資料 >
光伏材料.中國大百科.2024-01-08
我國科研人員在無機光伏材料薄膜化領域取得新進展.百家號.2025-09-16