1.3 太阳电池的发展
在20世纪50年代，第一块实用化的硅太阳电池在美国贝尔实验室诞生了，不久后它即被用于人造卫星的发电系统上。迄今为止，太空中成千上万的飞行器都装备了太阳电池发电系统。由于当时发电成本过高，太阳电池在地面上的应用一直停滞不前，应用不广，主要在通信、农业灌溉等领域作为补充能源。直到20世纪70年代世界开始出现“石油危机”后，地面大规模应用太阳电池发电系统才被列上许多国家的议事日程。进入20世纪80年代，人口快速增长和工业化造成了三个全球性难题： 能源短缺、生态破坏和环境污染。因为人类所使用的能源80%以上是由矿物燃料提供的，其中煤炭占28%、石油超过40%。人类每年要燃烧40亿吨煤、25亿吨石油，并以每年大约3%的速度增长。矿物燃料燃烧排放的是温室气体和有毒物质，它们使地球的生态环境急剧恶化。另外，矿物燃料的燃烧每年向大气释放的二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物等有害气体，是造成温室效应和酸雨的主要因素。
人们认识到，常规能源不仅数量有限，而且使用时对环境的污染和生态平衡的破坏日益严重，威胁人类的正常发展。人类要生存下去，现代文明要持续地发展下去，必须寻找一条可持续发展的清洁的能源道路。
我国是“京都议定书”的签字国，我国二氧化硫排放量居世界第一位、二氧化碳排放量居世界第一位，我国将面临越来越大的减排义务的国际压力。同时，对我国人民来讲，也只有减排温室气体，才能逐步改善我们的生存环境，这都要求我们大力发展可再生能源。自1980年以来，中国的能源总消耗量每年增长约5%，为世界平均增长率的近3倍，目前的能源储量与未来发展需求之间存在巨大的缺口，而这个缺口也将越来越大。由于我国石油产量不可能大幅增长，今后新增的石油需求量几乎要全部依靠进口。我国也是世界第一大油品进口国，作为稀缺资源，石油历来被视为战略物资被世界各国所争夺。石油对外依存度过高使我国能源安全出现问题。因此，国家《可再生能源中长期发展规划》（以下简称“规划”）提出在2020年将可再生能源占一次能源的总比重发展到15%。不过，《规划》并没有给太阳能提出很高目标，到2020年的规划光伏发电量只有180万千瓦，这主要是因为太阳能的能量分布十分分散，并且制造太阳能设备需要比较高的能耗和碳排放量，这就需要我们降低太阳能材料的生产成本并提高其光电转换效率。
太阳能光伏发电具有无污染、资源的普遍性和不枯竭等优点，符合保护环境和可持续发展的要求。因此，全人类再次把目光集中到太阳能发电上，各国政府对此高度重视。如美国政府1970年制定有一系列的建筑法规，1978年又将一些法规作为法律写进了国家能源法，硬性要求建筑必须与节能相结合，对购买太阳能系统的买主实行减免税等优惠政策；1997年又计划到2010年要为100万美国家庭安装3～5kW的光伏屋顶，并公布国家光伏计划和2020～2030年的长期规划。该项规划宏大且富有挑战性，美国将其与阿波罗登月计划相媲美，决心使光伏技术像其他能源技术一样得到发展，使太阳电池板安装在每一个房屋上。
德国的政策核心是提供优惠贷款、津贴以及向可再生能源生产者给予较高标准的固定补贴。1990年制定的《电力输送法》中规定，对中型到大型电力用户按居民电价的90%支付风能、太阳能、水力以及生物能生产的电力。对于投资可再生能源的企业，国家还以低于市场利率的优惠利率，提供相当于设备投资成本75%的优惠贷款。德国从1999年起开始推行“10万屋顶”计划，准备在6年中资助10万户家庭装备太阳能电池设备，计划的主要手段是由商业银行向消费者直接提供优惠贷款。
荷兰政府通过提供一系列财政、税收和金融优惠，促进可再生能源开发利用，主要包括加速企业折旧、税收抵扣、对可再生能源项目提供低于市场利率的优惠贷款，以及向独立采用可再生能源等有利于环境的家庭给予低息贷款等；对按国家要求购买了新能源电力的电力工地的新能源电力，采取按比例分配方式销售给有关用户，以收回因此投入的燃料和设备成本；对制造污染但无法再循环利用的企业，征收能源税；建立绿色定价计划，使消费者可以在购买可再生能源电力时，得到奖励性津贴；制定以可再生能源为基础的国家电力标准，向被支持企业做出市场化努力。
英国和上述几个国家不同，英国通过一种称为“非化石燃料义务”的政策手段，来促进可再生能源发展。在“非化石燃料义务”政策框架内，电力供应商必须购买一定量的非化石能源电力。
日本开发的重点是太阳能电池和风能。比较突出的项目是1997年之前推行的“万户屋顶”计划。该计划是通过对电力消耗征收附加税的方式筹资，对所有装备太阳能装备的家庭，给予相当于设备成本三分之一的津贴；同时，电力部门承诺以市场价格回购太阳能装置生产的超出家庭消耗需求的电。日本1997年通过的新能源法，主要政策手段是政府动员各大能源供应商积极购买通过可再生能源方式生产的电力，电力公司要对用可再生能源设备生产的电力支付零售电价；购电合同期为15年，合同期内购电价水平依市场电价随时调整。
1996年联合国召开了“世界太阳能高峰会议”，再次要求全球共同行动，广泛利用太阳能并发表了一系列重要文件，表示了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心。欧盟还发布了《可再生能源白皮书》，要求在2010年生产6000 MW光伏电池，预计仅美国、日本、欧盟的光伏电池生产就可能超过15300 MW。从1999年开始，光伏产业快速发展；在最近十年中，光伏组件的产量增长近10倍，而价格下降了3/4。据美国有关研究所的报告预测，未来光伏产业将与信息产业、通信产业一起，成为全球发展最快的产业之一。据2004年发表的欧盟光伏研发路线图指出，2000年常规能源和核能在能源结构中的比例大约为80%，可再生能源的比例为20%。在可再生能源中主要是生物能，太阳能占的比例很小，但到2050年常规能源和核能的比例将下降到47%，可再生能源则上升到53%。在可再生能源中，太阳能（包括太阳能热利用和太阳能发电）将占据首位，占总能源的29%。特别值得指出的是，其中仅太阳能发电就占总能源的25%，将占世界总发电量的1/5，太阳能将成为常规能源的重要替代者，如图1.6所示。另外，生产规模的扩大与产品的价格成反比。随着太阳电池制作成本的降低和生产能力的提高，进一步降低成本的潜力使其完全有可能成为替代能源。
图1.6 2000～2100年太阳能发电在能源市场上的预测
我国是能源进口国，能源紧缺已成为我国经济持续快速发展的瓶颈，随着我国经济的高速发展，能源消耗还将有大幅度增加。考虑到环境保护的目标，大力发展可再生能源是最佳选择。我国太阳能极为丰富，我国陆地表面接收的太阳辐射能约为每年50×1018kJ，年辐射总量达到335～837kJ/cm2。从全国太阳能年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大，全国2/3国土年平均日照2000h以上，仅84万平方公里的沙漠就有太阳能8400亿千瓦，是可再生能源中数量最大的，尤其是青藏高原地区，那里平均海拔在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为日光城的拉萨市1961～1970年年平均日照时间为3005.7h，年平均晴天为108.5天，太阳总辐射为816kJ。另外，我国仍然有交通不方便的边远山区的供电问题得不到解决，因为长途供应成本太大，而太阳能发电主要应用于独立用户系统，所以，这为我国太阳能电池的发展应用提供了优越的条件和巨大的市场。
2013年至今，我国政府连续下发一系列文件，大大推进了光伏发电的普及。近年来，我国光伏产业发展迅速，我国应继续抓住这一难得的战略机遇，大力加强太阳能发电新技术的研究和开发，加快我国太阳电池工业的发展步伐，为我国经济发展提供结构合理的能源保障体系。
太阳能发电原理即光伏效应是1839年法国Becqueral第一次在化学电池中观察到的；1887年第一块太阳电池问世，其转换效率为1%～2%；硅太阳电池出现于1941年；1876年在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应。1954年，贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6%的单晶硅太阳电池；硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后的十多年里，硅太阳电池在空间应用中不断扩大，工艺不断改进，电池设计逐步定型。20世纪70年代初，许多新技术引入电池制造工艺，转换效率有了很大提高。与此同时，硅太阳电池开始引入地面应用，20世纪70年代末，地面太阳电池产量已经超过了空间电池产量，促使成本不断降低。20世纪80年代初，硅太阳电池进入快速发展时期，技术进步和研究开发使太阳电池效率进一步提高，商业化生产成本持续降低，应用不断扩大。
从电池效率的发展划分的话，1954～1960年是第一个发展阶段：1954年贝尔实验室Chapin等开发出效率为6%的单晶硅太阳电池；1960年提升太阳电池效率的主要技术是使硅材料的制备工艺日趋完善，硅材料的质量不断提高，这一期间电池效率为15%。1972～1985年是第二个发展阶段，背电场电池（BSF）技术、“浅结”结构、绒面技术、密栅金属化是这一阶段的代表技术，电池效率提高到17%，电池成本大幅度下降。1985年后是电池发展的第三阶段，随着各种各样的电池新技术和新材料的出现，改进了电池性能，提高了其光电转换效率，如表面与体钝化技术、Al/P吸杂技术、选择性发射区技术、双层减反射膜技术等。目前相当多的技术、材料和设备正在逐渐突破实验室的限制而应用到产业化生产当中来，高效太阳电池的概念也已经提出。
总之，由于太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及易于维护等其他常规能源所不具备的优点，光伏能源被认为是21世纪最重要的新能源之一，光伏发电对解决人类能源危机和环境问题具有重要的意义。