太阳能电池效率是指太阳能形式的能量部分，可以通过光伏发电转换成电能。

光伏系统中使用的太阳能电池的效率与纬度和气候相结合，决定了系统的年能量输出。 例如，效率为20％，面积为1平方米的太阳能电池板在标准测试条件下将产生200 W，但是当太阳在天空中高时它会产生更多，并且在阴天条件下或在太阳下时产生更少的太阳能电池板。低矮的天空。 在科罗拉多州中部，每年的日照量为5.5千瓦时/平方米/天（或230瓦特/平方米），这样的电池板每年可产生440千瓦时的能量。 然而，在密歇根州，每天只能达到3.8千瓦时/平方米/天，同一面板的年能量产量将降至280千瓦时。 在更偏北的欧洲纬度地区，产量显着降低：英格兰南部的年能源产量为175千瓦时。

有几个因素影响电池的转换效率值，包括其反射效率，热力学效率，电荷载体分离效率和传导效率值。 由于这些参数难以直接测量，因此测量其他参数，包括量子效率，VOC比率和填充因子。 反射损耗由量子效率值来解释，因为它们影响“外部量子效率”。 重组损失由量子效率，VOC比率和填充因子值来计算。 电阻损耗主要由填充因子值计算，但也有助于量子效率和VOC比值。

截至2014年12月，通过使用法国CEA-Leti的Soitec与德国Fraunhofer ISE的合作开发的多结集中器太阳能电池，实现了46.0％的太阳能电池效率世界纪录。

影响能量转换效率的因素
威廉·肖克利和汉斯·奎瑟在1961年的一篇具有里程碑意义的论文中阐述了影响能量转换效率的因素。有关详细信息，请参阅Shockley-Queisser限制。

热力学效率极限和无限叠加极限
如果在温度Ts下具有热源并且在温度Tc下具有较冷的散热器，则获得的工作（或电功率）与供热之比的最大理论上可能值为1-Tc / Ts，由卡诺热机给出。 如果我们对地球的环境条件采取6000 K的太阳温度和300 K，这将达到95％。 1981年，Alexis de Vos和Herman Pauwels表明这可以通过无限数量的单元堆叠实现，带隙范围从无穷大（入射光子遇到的第一个单元）到零，每个单元中的电压非常接近开路电压，等于该电池带隙的95％，以及来自各个方向的6000K黑体辐射。 然而，由此实现的95％的效率意味着电功率是吸收的净光量的95％ – 当堆叠具有非零温度时，堆叠发射辐射，并且在计算时必须从入射辐射中减去该辐射。传递的热量和效率。 他们还考虑了更大的相关问题，即通过6000 K黑体辐射从所有方向照射的叠层最大化功率输出。 在这种情况下，电压必须降低到小于带隙的95％（百分比在所有电池上不是恒定的）。 使用进入的聚光太阳辐射，对于无限数量的电池堆叠计算的最大理论效率为86.8％。 当入射辐射仅来自太阳大小的天空区域时，效率限制降至68.7％。

终极效率
然而，普通的光伏系统只有一个pn结，因此受到效率下限的限制，称为Shockley和Queisser的“最终效率”。 能量低于吸收材料带隙的光子不能产生电子 – 空穴对，因此它们的能量不会转换为有用的输出，只有在吸收时才会产生热量。 对于能量高于带隙能量的光子，只有带隙之上的一小部分能量可以转换为有用的输出。 当吸收更大能量的光子时，带隙上方的多余能量被转换成载流子组合的动能。 当载流子的动能减慢到平衡速度时，过剩的动能通过声子相互作用转换成热量。 传统的单结电池最大理论效率为33.16％。

具有多个带隙吸收材料的太阳能电池通过将太阳光谱分成较小的箱来提高效率，其中每个箱的热力学效率极限较高。

量子效率
如上所述，当光子被太阳能电池吸收时，它可以产生电子 – 空穴对。 其中一个载流子可以到达pn结并有助于太阳能电池产生的电流; 据说这种载体是收集的。 或者，载流子重组而没有对电池电流的净贡献。

量子效率是指当电池在短路条件下操作时转换成电流的光子（即，收集的载流子）的百分比。 硅太阳能电池的“外部”量子效率包括光学损耗（例如透射和反射）的影响。

特别是，可以采取一些措施来减少这些损失。 使用称为纹理化的技术可以显着降低反射损耗，其可以占总入射能量的10％，该纹理化是一种修改平均光路的光捕获方法。

量子效率最有用地表示为光谱测量（即，作为光子波长或能量的函数）。 由于某些波长比其他波长更有效地被吸收，因此量子效率的光谱测量可以产生关于半导体体和表面质量的有价值信息。 单独的量子效率与整体能量转换效率不同，因为它不传达关于由太阳能电池转换的功率分数的信息。

最大功率点
太阳能电池可以在宽范围的电压（V）和电流（I）下操作。 通过将被照射的电池上的电阻负载从零（短路）连续增加到非常高的值（开路），可以确定最大功率点，即使V×I最大化的点; 也就是说，电池可以在该照射水平下提供最大电功率的负载。 （短路和开路极端的输出功率均为零）。

高质量的单晶硅太阳能电池，在25°C的电池温度下，可产生0.60 V的开路（VOC）。 即使在25°C的空气温度下，充足阳光下的电池温度也可能接近45°C，将开路电压降至每个电池0.55 V. 对于这种类型的电池，电压适度下降，直到接近短路电流（ISC）。 最大功率（45°C电池温度）通常产生75％至80％的开路电压（在这种情况下为0.43 V）和90％的短路电流。 此输出可高达VOC x ISC产品的70％。 来自电池的短路电流（ISC）几乎与照明成比例，而开路电压（VOC）可能仅下降10％，照明下降80％。 较低质量的电池随着电流的增加而具有更快的电压下降，并且在1/2 ISC下仅能产生1/2 VOC。 因此，可用功率输出可从VOC x ISC产品的70％降至50％或甚至低至25％。 仅将其太阳能电池“功率”评定为VOC x ISC而不给出负载曲线的供应商可能会严重扭曲其实际性能。

光伏的最大功率点随入射照明而变化。 例如，光伏板上的灰尘积聚降低了最大功率点。 对于足以证明额外费用的系统，最大功率点跟踪器通过连续测量电压和电流（以及功率传输）来跟踪瞬时功率，并使用此信息动态调整负载，以便始终传输最大功率，不管照明的变化。

填充因子
太阳能电池的整体行为中的另一个定义术语是填充因子（FF）。 该因子是太阳能电池质量的量度。 这是最大功率点（Pm）的可用功率除以开路电压（VOC）和短路电流（ISC）：

填充因子可以通过IV扫描以图形方式表示，其中它是不同矩形区域的比率。

填充因子直接受到电池串联，分流电阻和二极管损耗值的影响。 增加分流电阻（Rsh）和降低串联电阻（Rs）会导致更高的填充因子，从而提高效率，并使电池的输出功率更接近其理论最大值。

典型的填充因子范围为50％至82％。 普通硅PV电池的填充因子为80％。

对照
通过将电输出除以入射光功率来测量能量转换效率。 影响输出的因素包括光谱分布，功率的空间分布，温度和电阻负载。 IEC标准61215用于比较电池的性能，并围绕标准（地面，温带）温度和条件（STC）设计：辐照度为1 kW / m2，光谱分布接近太阳辐射，AM（气质）为1.5和电池温度为25°C。 改变电阻负载，直到达到峰值或最大功率点（MPP）。 此时的功率记录为瓦特峰值（Wp）。 相同的标准用于测量PV模块的功率和效率。

空气质量影响输出。 在没有大气层的太空中，太阳的光谱相对不过滤。 然而，在地球上，空气过滤入射光，改变太阳光谱。 过滤效果的范围从空间中的空气质量0（AM0）到地球上的大约空气质量1.5。 将光谱差异乘以所讨论的太阳能电池的量子效率产生效率。 地面效率通常高于空间效率。 例如，太空中的硅太阳能电池在AM0时的效率可能为14％，但在AM1.5时的效率为16％。 然而，请注意，太空中入射光子的数量要大得多，因此太阳能电池可能在太空中产生相当多的功率，尽管效率较低，如所捕获的总入射能量百分比所示。

太阳能电池效率从非晶硅基太阳能电池的6％到多结生产电池的44.0％和多个模具组装成混合封装的44.4％不等。 市售多晶硅太阳能电池的太阳能电池能量转换效率约为14-19％。 效率最高的电池并不总是最经济的 – 例如基于特殊材料的30％效率多结电池，例如以低体积生产的砷化镓或硒化铟，其成本可能是8％效率非晶硅的100倍。大规模生产中的电池，输出量仅为其四倍。

然而，有一种方法可以“提升”太阳能。 通过增加光强度，通常增加光生载流子，使效率提高多达15％。 由于高效GaAs电池的发展，这些所谓的“聚光器系统”才开始变得具有成本竞争力。 通常通过使用聚光光学器件来实现强度的增加。 典型的聚光器系统可以使用太阳的6-400倍的光强度，并且将一个太阳GaAs电池的效率从AM1.5的31％提高到35％。

用于表示经济成本的常用方法是计算每交付千瓦时（kWh）的价格。 太阳能电池效率与可用辐射相结合对成本具有重大影响，但一般而言，整体系统效率是重要的。 商业上可获得的太阳能电池（截至2006年）达到了5％至19％的系统效率。

未掺杂的晶体硅器件接近理论限制效率29.43％。 2017年，在非晶硅/晶体硅异质结电池中实现了26.63％的效率，该电池在电池背面放置正负触点。

能源回报
能量回收时间定义为产生用于制造现代光伏模块的能量所需的恢复时间。 根据模块类型和位置，2008年估计为1至4年。 典型的寿命为20至30年，这意味着现代太阳能电池将成为净能源生产者，即它们在其生命周期内产生的能量将超过生产它们所消耗的能量。 通常，薄膜技术 – 尽管具有相对低的转换效率 – 实现比传统系统（通常<1年）显着更短的能量回收时间。 2013年发表的一项研究表明，现有文献发现能量回收时间在0.75至3。5年之间，薄膜电池位于低端，多晶硅电池的投资回收期为1.5-2.6岁。 2015年评估评估了太阳能光伏发电的能源回收时间和EROI。 在这项使用1700千瓦时/平方米/年的日照和30年的系统寿命的元研究中，发现平均协调的EROI在8.7和34.2之间。 平均协调能量回收时间从1.0到4。1年不等。 晶体硅器件平均实现2年的能量回收期。 与任何其他技术一样，太阳能电池制造依赖于并预先假定存在复杂的全球工业制造系统。 这不仅包括通常在制造能源估算中考虑的制造系统，还包括临时采矿，炼油和全球运输系统，以及其他能源密集型关键支持系统，包括财务，信息和安全系统。 该能源成分的不确定性赋予了从该估计得出的任何投资回收期估计的不确定性，一些人认为这是非常重要的。 提高效率的技术方法 选择最佳透明导体 某些类型的太阳能电池（有薄膜）的发光侧具有透明导电膜，以允许光进入活性材料并收集产生的电荷载流子。 通常，具有高透射率和高电导率的膜如氧化铟锡，导电聚合物或导电纳米线网络用于此目的。 在高透射率和电导率之间存在折衷，因此应选择导电纳米线或导电网络结构的最佳密度以实现高效率。 促进可见光谱中的光散射 通过用纳米尺寸的金属螺柱衬垫电池的光接收表面，电池的效率可以显着增加，因为光以与电池成斜角的角度从这些螺柱反射，增加了光的路径长度。通过电池，从而增加了电池吸收的光子数量，以及产生的电流量。 用于纳米螺柱的主要材料是银，金和铝，仅举几例。 然而，金和银的效率不是很高，因为它们吸收了可见光谱中的大部分光，其中包含太阳光中存在的大部分能量，减少了到达细胞的光量。 另一方面，铝仅吸收紫外线辐射，并反射可见光和红外光，因此在前面的能量损失最小化。 因此，铝能够将电池的效率提高多达22％（在实验室条件下）。 辐射冷却 太阳能电池温度升高约1℃导致效率降低约0.45％。 为了防止由于加热导致的效率降低，可以将可见透明的二氧化硅晶体层施加到太阳能电池板上。 二氧化硅层充当热黑体，其作为红外辐射发热，进入空间，使电池冷却高达13°C。 抗反射涂层和纹理 抗反射涂层可能导致来自太阳的入射光波的更具破坏性的干扰。 因此，所有的阳光都会传输到光伏中。 另外，改变太阳能电池表面以使反射光再次撞击表面的纹理化是另一种用于减少反射的技术。 这些表面可以通过蚀刻或使用光刻来产生。 除了对前表面进行纹理化之外，添加平坦的后表面有助于将光捕获在单元内以获得更长的光程长度。 后表面钝化 虽然已经对用于大规模生产的太阳能电池的正面进行了许多改进，但铝背面阻碍了效率的提高。 许多太阳能电池的效率通过创造所谓的钝化发射极和后电池（PERC）而受益。 后表面电介质钝化层叠层的化学沉积也由薄的二氧化硅膜或顶部有氮化硅膜的氧化铝膜制成，有助于将硅太阳能电池的效率提高1％以上。 这有助于将商用Cz-Si晶圆材料的电池效率提高到20.2％，准单硅的电池效率提高到创纪录的19.9％。 薄膜材料 薄膜材料在低成本和对现有结构和技术框架的适应性方面显示出对太阳能电池的巨大希望。 然而，由于材料很薄，它们缺乏散装材料太阳能电池所具有的光吸收。 虽然已经尝试了使这个问题正确的尝试，但更重要的是关注薄膜表面重组。 由于这是纳米级薄膜太阳能电池的主要复合过程，因此它们的效率至关重要。 添加钝化的二氧化硅薄层可以减少重组。