太阳能光伏发电是一种把太阳光转换为电能并以电力形式输出的发电方式。其基本原理是，利用PN结半导体受到光照就会产生电压的物理现象来输出电流。日本的《JIS C 8960光伏发电术语》对其进行了准确定义，即“将光能直接转换为电能的发电方式。一般采用基于光伏效应的太阳能电池”。
截至2012年，市场上销售的一般的晶体硅太阳能电池的最高转换效率已达到20％，各研究机构及厂商还在为了提高转换效率进行多方面研发。日本NEDO（独立行政法人新能源产业技术综合开发机构）正在实施“创新性光伏发电技术研发”计划（期间为2008年度～2014年度），提出“探索利用新材料和新构造等使‘转换效率超过40％’以及‘使发电成本与普通电力相当（7日元/kWh）’的实现方法，以验证可行性为目标进行研发”。
太阳能电池的转换效率是表示输入一定光能时能够输出多少电能的指标，定义式如下。
转换效率（％）＝输出电能（W）÷太阳光能（W）×100
另外，日本国家标准还制定了光伏发电转换效率的测量方法相关标准（JIS C 8910～8919等），规定了测量时的温度、光线强度、模拟太阳光的光线波长成分等，并成为了全球通用的测量条件。
提高太阳能电池的转换效率会带来哪些好处呢？光伏发电的发电量与太阳能电池面板的面积、日照时间及转换效率成正比。因此，在独栋住宅的屋顶等安装面积有限的地方，提高效率有助于增加发电量。但是，如果太阳能面板价格昂贵，就算“单位安装面积的发电量”比较高，但换算成“单位投资额的发电量”时就没有优势了。
提高转换效率的方法有以下几个。
（1）改进材料和构造
太阳光中含有多种波长的光，而目前太阳能电池最常用的硅材料无法将波长大于红外线（波长大于1.1μm的光线）的光转换为电能。可有效转换为电能的波长因材料及晶体结构不同而异，因此业界通过采用硅以外的材料（比如砷化镓：GaAs等），将其他波长的光转换成电能，或者重叠多种材料，将太阳光中含有的多种波长的光有效地转换成了电能。2012年5月夏普发布的转换效率达到全球最高的43.5％的太阳能电池单元就重叠了三种化合物。
此外，目前业界正在研究的量子点构造可将以前无法通过半导体晶体输出能量的波长的光转换为电能，也是一项备受期待的可大幅提高转换效率的技术。
（2）改进光线照射到太阳能电池的方法
光伏发电可以采用的方法是，利用透镜等聚光装置使太阳光会聚到太阳能电池单元，从而使大量太阳光照射到太阳能电池单元上。尽管太阳能电池单元单位面积的转换效率提高，但聚光装置也需要一定面积，所以实用化时的“安装面积”往往大于电池单元面积的合计值。
（3）其他
除了太阳光之外，还可利用太阳热增加输出能量（电+热），作为广义的提高效率的方式，这种方法也被采用。采用这种方法可以输出三倍于硅光伏发电的能量。
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