光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为n型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成p型半导体。当p型和n型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到p－n结后，空穴由p极区往n极区移动，电子由n极区向p极区移动，形成电流。
太阳能的能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能），是太阳中的氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。我们生活所需的煤炭、石油、天然气等化石燃料都是因为各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来后，再由埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。
由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由p型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的p-n结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于p-n结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度j，短路电流isc，开路电压uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由p-n结、连接电路和负载形成的回路，就有'光生电流'流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率p输出。
理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷（需电量）决定。

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