光伏电池是指根据光生伏特自然现象,将光能直接转换为电能的一种半导体器件。人们在对光伏电池输出特性研究时,往往希望通过深入了解其变化规律来对光伏电池的输出特性进行精准预测,这就引入了建立光伏电池最优物理模型的问题,即希望利用数学工具对光伏电池物理模型进行精确数字化构建。一个最为优化的光伏电池物理模型的衡量标准,应该是一方面能够精准的表示光伏电池输出特性的变化规律,另一方面又能够利用数学工具对这个数学模型快速求解来得到最佳收敛值。由于大部分前人研究得到的光伏电池物理模型都是基于半经验的数学解析模型,存在模型精确性和计算效率之间的平衡,因此有必要对光伏电池最佳物理模型构建过程进行深入研究,并利用所构建的最优模型对光伏电池的输出特性进行预测。基于这个原则,本论文在前人所提出的光伏电池的二极管显式和隐式数学模型的基础上,对光伏电池最佳参数提取算法和最优模型构建过程进行了深入研究。提出了基于解析和数值法相融合的重复迭代提取最优参数的求解策略,并利用几种流行的最优参数提取算法结合所提出来的求解策略,对不同样本数的单结晶硅电池进行最优模型重构。通过对不同的最优参数提取算法过程中迭代精度和迭代速度的比较,得到了最优提取算法,并提取了单结晶硅电池物理模型的最优参数,进而得到单结晶硅电池的最优物理模型。利用所提出的参数提取策略和最优模型构建算法,还可以应用于多结化合物光伏电池的最优物理模型构建工作上,本论文也针对这种光伏电池进行了最优模型构建。依靠所优化重构的多结化合物光伏电池最优理论模型,可以对影响多结化合物光伏电池输出特性的关键因素和输出规律进行深入分析,并能够在这个基础上进一步对实际搭建的光伏电池模组和光伏系统的输出特性进行模拟仿真和理论预测。与实际测试结果相比,通过理论模型所预测得到的输出特性能够比较好的反映实际模组/系统的输出规律,因而这些分析过程和结果对实际应用具有指导作用。除了在理论上对不同种类的光伏电池进行最优参数提取和数字化模型重构外,本论文还针对多结化合物光伏电池中的一种特列——多结单色光电池进行了研究和具体制备工作。多结单色光电池是利用同质结电池在窄带光谱能量下的高光电转换效率特性而被作为一种特殊电源使用。通过采用成熟的大功率半导体激光器作为单色光源,石英光纤或者空气作为能量传输媒介,多结单色光电池能够在电力,航天,军工,核能等特殊领域提供非接触的能源供给,因而受到越来越多的重视。本论文针对多结单色光电池的最优结构和工艺进行了理论模拟计算,根据所模拟计算的结果,实际制备了横向串联和纵向串联两种不同结构的六结单色光电池,对制备过程中的关键工艺技术进行了讨论和归纳,深入研究了不同结构和不同工艺步骤对所制备的六结单色光电池输出性能的影响,根据这些影响因素进一步优化了所制备电池的结构和工艺步骤,并对制备的六结单色光电池在不同环境下的输出特性进行了测试和分析。测试结果表明,所制备的横向和纵向多结单色光电池具有非常高的转换效率(横向多结>45%,纵向多结>55%),性能指标达到国内先进水平。最后,本论文还进一步对能够承受更高光功率的多结单色光电池进行了研究,设计了能够承受更高光功率的大面积多结单色光电池,并对其性能特性进行了测试分析。依托这种大面积高功率多结单色光电池,设计制备了一种大功率单色光电池模块,并对模块的输出特性和温度特性进行了测试分析和仿真模拟。测试结果表明,所设计制备的大功率单色光电池模块具有超过50%的光电转换效率,并且能够输出高达20 W的电功率,支持50 W的输入光功率。这些工作能够给多结单色光电池的进一步应用提供更广泛的空间,并且能够在本论文这些工作的基础上进一步深入研制具备更高输出电压以及适合更多场合的柔性大功率单色光多结电池等前沿问题上,因此,本论文所研究课题在未来还有较大的拓展空间,希望本论文所做的工作能够促进相关技术的进一步发展。