顺盈注册一般称目前正大规模生产和应用的晶体太阳能电池为第一代太阳能电池技术，而将薄膜太阳能电池归为第二代。第一代太阳能电池制作工艺简单，转换效率一般在15-25%之间。由于使用体硅材料，因此其成本和重量的下降空间有限，而其转换效率也不可能进一步提高。第二代虽然具有很大的成本潜力。但其转换效率更低，只有6-10%。 太阳能产业的持续发展，对转换效率和成本必将提出更高的要求。而这些要求只能通过第三代太阳能技术

　　一般称目前正大规模生产和应用的晶体太阳能电池为第一代太阳能电池技术，而将薄膜太阳能电池归为第二代。第一代太阳能电池制作工艺简单，转换效率一般在15-25%之间。由于使用体硅材料，因此其成本和重量的下降空间有限，而其转换效率也不可能进一步提高。第二代虽然具有很大的成本潜力。但其转换效率更低，只有6-10%。

　　太阳能产业的持续发展，对转换效率和成本必将提出更高的要求。而这些要求只能通过第三代太阳能技术来实现。从图1所给出的三代太阳能电池的成本和转换效率区间图可以看出，第三代太阳能电池转换效率最高可以接近60%，而成本只在10美分/瓦到50美分/瓦之间，相当于目前主流技术的1/30到1/6。

　　要想提高太阳能电池的转换效率，必须先搞清楚入射到电池表面的太阳能都耗散到什么地方去了。

　　首先，热力学理论指出，任何物体吸收热量之后都不可能百分之百地用来做功。假设太阳是6000K的黑体，环境温度为300K，由热力学定律决定的转换效率极限为86.8%，除非有新的转换机制引入，可以使光-电转换的过程摆脱热力学机制的限制，否则上述效率被视为太阳能电池转换效率的理论极限，即卡诺极限。

　　接下来的能量损耗机制需要从半导体能带的角度来解释。从图2上看，标准太阳能电池主要有四种跟能带理论相关的能量损失机制。其中最主要的，就是晶格热振动损失和非吸收损失。入射的太阳光子具有广泛的能量分布，而在半导体内电离出一个电子-空穴对需要的能量等于材料的禁带宽度。对于能量较低的光子，往往无法激发有效的载流子，因此在晶体内的吸收系数也较低（几乎透明），这部分光子，无法被电池有效利用，即形成所谓的非吸收损失。而对于能量较高的光子，除了可以激发出电子-空穴对之外，还有多余的能量赋予这些电子和空穴，使这些电子和空穴被激发到较高的能态，通俗地说，就是它们具有了高于晶格的“温度”。他们在穿过PN结形成电流之前，往往已经跟晶格发生热交换，损失了多余的能量，这就是晶格热振动损失。

　　图2：标准单结太阳电池的能量损失过程：① 晶格热振动损失? ② 结损失? ③ 接触损失? ④ 复合损失

　　晶格热振动损失和非吸收损失是互相矛盾的。如果选择较高禁带宽度的半导体材料，则可以提高较高能量光子的利用效率，然而这种材料对低能量光子却几乎透明，非吸收损失就会比较大。仅此一项，就限制了单结太阳能电池的转换效率不能超过40%，常用的硅太阳能电池的转换效率极限只有29%。

　　解决这一矛盾的最直接方法是采用堆叠太阳能电池。即在衬底材料上按禁带宽度由小往大的顺序制作不同材料的薄膜太阳能电池。太阳光先通过最上一层电池，具有较高能量的光子被有效利用，电离出电子空穴对，被正负极收集形成电流。而其余较低能量的光子则透过上层电池进入到下一层。以此类推，如果能够设置无限层太阳能电池，而又有效避免各层之间的耦合，堆叠太阳能电池的理论转换效率可以接近86.8%的卡诺极限。

　　实际上上世纪末已经出现三层堆叠电池在太空船上的应用，而另一种具有成本降低潜力的Si:Ge:H合金堆叠电池也于1998年问世。常用的GaInP/GaAs/Ge堆叠电池可以把转换效率提高到40%左右。四层堆叠效率将可以做到更高，但层数增加到五层以上从应用的角度来说对提高效率的贡献将十分有限。

　　前面提到，光子的多余能量赋予载流子较高的热能。这些“热载流子”在被激发之后的约几个皮秒的时间内，首先通过载流子之间的碰撞达到一定的热平衡。这种载流子之间的碰撞并不造成能量损失，只是导致能量在载流子（电子、空穴）之间重新分配。随后，经过几个纳秒的时间，载流子才与晶格发生碰撞，把能量传给晶格。而光照几个微秒以后，如果电子和空穴不能被有效分离到正负极，它们就会重新复合。

　　标准的电池设计，需要在电子和空穴复合之前，把它们收集到电池的正负极。而热载流子电池则要做到更快，它必须在电子和空穴冷却之前，把它们收集到正负极。

　　因此吸收层必须做到很薄，差不多为几十个纳米。而有报道说如果采用超晶格结构作为吸收层可以延缓载流子冷却，因而可以增加吸收层的厚度，提高对光的吸收。

　　电极连接点的设计成为热载流子电池的关键。连接点内的载流子具有与晶格相同的温度，如果光生载流子直接进入接触点则会被冷却而损失能量。所以一般电极连接点需要采用共振隧穿器件或者特殊能带结构的半导体材料。

　　热载流子电池理论上可以达到多层堆叠电池相同的转换效率，而其制作步骤又相对较少，非常具有降低成本的潜力，因此越来越受到重视。但在材料的制备方法上尚存在一些问题。

　　提高太阳能电池转换效率，即是尽可能多地将光子的能量用于电离出电子-空穴对，而避免其转换成热能。如果一个高能量光子电离出一对电子-空穴对并使它们成为具有多余能量的“热载流子”，而这个热载流子具有的能量仍高于电离一对电子-空穴对所需要的能量，那么这个热载流子就完全有可能把多余的能量用来产生第二对电子-空穴对。

　　那么，如果光子的能量比禁带宽度的三倍还大呢？就可能产生第三对电子-空穴对！这些电子空穴对将增大太阳能电池的输出电流，从而提高光子的利用效率。

　　此种方案曾一度不被看好，直到近年来超晶格技术结合莱曼荧光机制，才使这种方案再度被提及。能带工程的应用，使人们可以更灵活地对材料的能带结构进行裁剪，进而使很多理论设想成为现实。

　　多能带太阳能电池技术人为地在宽禁带半导体材料中引入中间能级。比方说，从价带到中间能级，从中间能级到导带，以及从价带到导带之间的能级差分别为0.7eV，1.2eV，1.9eV，这样从0.7eV到1.9eV之间的光子都可以被有效地吸收。理论上可以达到60%以上的效率。实际设计最重要的考量是，必须保证高、中、低能量的光子各自激发相应能量的载流子跃迁，高能量的光子不会被中间能级捕获而浪费能量。

　　从实施方案来看，目前人们已经提出异质结器件、多量子阱器件、超晶格结构以及对某些元素半导体如硒、碲等进行简并掺杂等方法。

　　随着材料工程领域的进展，多能带太阳能电池技术在未来二十年内将有着很好的前景。

　　另一种降低能量损失的方法是降低辐射光子的平均能量：先使用一个吸热装置吸收太阳光，再把吸收的能量放出来供给太阳能电池。由于该装置的温度远低于太阳的温度，因此其辐射的平均光子能量远小于阳光。这些光子中能量较高的被电池吸收转化成电能，而其中能量较小的又被反射回来，很容易被吸热装置吸收，用以保持吸热装置的温度。这种方法的最大特点是太阳能电池不能吸收的那部分能量可以反复利用。

　　基于这种基本原理而提出的一个更加优化的设想是采用两个分别绑定在吸热装置和冷却装置上的发光二极管（LED），通过光学耦合的方法充分利用热能。发光二极管吸热发光，而外加电压时又会冷却。

　　热光伏技术早在上世纪六十年代就被提出，近年来又得到蓬勃发展。其转换效率理论上非常接近于卡诺极限，但产业化还有一定距离。

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