La cella è un dispositivo allo stato solido che converte  l'energia luminosa incidente direttamente in energia elettrica. Rispetto ad altre forme di energia solare quella prodotta dalla cella è di prima qualità, poichè l'energia elettrica può essere convertita facilmente nelle altre forme di energia e non viceversa.Le celle fotovoltaiche, non hanno alcuna parte in movimento e sono molto affidabili; hanno un rendimento di conversione compreso fra il 10 e il 15% con la luce solare e se investite da luce monocromatica, di opportuna lunghezza d'onda, arrivano ad un'efficienza dell'ordine del 50%.

Queste caratteristiche ci danno molte speranze per una loro diffusione su scala planetaria in modo da abbandonare completamente il petrolio, il gas e l'energia nucleare tradizionale.  

La prima cella al silicio è stata realizzata all'inizio degli anni '50 negli U.S.A., nel laboratorio della Bell Telephone. 

Tuttavia, le celle solari trovarono, a dispetto di molte difficoltà, un interessante campo di applicazione:

proprio in quegli anni, infatti, si svilupparono le ricerche spaziali.

La prima applicazione spaziale di celle solari è dovuta agli Americani, nel 1958, quando alimentarono la trasmittente del Vanguard 1 con un piccolo generatore fotovoltaico. 

Da allora, sia Americani che Russi hanno installato sui loro satelliti alimentatori fotovoltaici di potenza sempre maggiore.

Anche i satelliti europei sono stati, alimentati con celle fotovoltaiche prodotte anche da industrie italiane.  

Con la crisi energetica del 1973, che ha portato per la prima volta i paesi industrializzati a considerare le fonti energetiche rinnovabili e principalmente l'energia solare come scelte strategicamente valide, fu ripresa in seria considerazione la possibilità di utilizzare, su vasta scala, sistemi fotovoltaici per applicazioni terrestri.

Fu avviato un consistente programma di ricerca, sviluppo e dimostrazione inizialmente negli Stati Uniti e successivamente in Europa e Giappone, finalizzato soprattutto ad ottenere una drastica diminuzione dei costi. Basti ricordare che la Comunità Europea, nel suo secondo programma quadriennale (1979-1983) di ricerca sulle fonti rinnovabili di energia ha riservato il maggior contributo finanziario proprio alla conversione fotovoltaica, con un incremento di circa il 200% rispetto al precedente programma.
    Esistono in natura materiali ad alta conducibilità elettrica (metalli) e materiali a conducibilità elettrica bassissima (isolanti).
Oltre a queste due categorie di materiali, esiste quella dei semiconduttori, che presentano proprietà elettriche intermedie.
    I semiconduttori mostrano le loro proprietà elettriche solo allo stato di grande purezza e generalmente nella sola forma di monocristalli.         

Poiché in natura non si reperiscono materiali semiconduttori di purezza adeguata,  le loro proprietà sono state e sono ancora oggi oggetto di studio.   

Negli ultimi tempi la produzione industriale di semiconduttori allo stato puro e sotto forma di monocristalli ha consentito la realizzazione di una serie di dispositivi elettronici oggi di vasto impiego.
I semiconduttori vengono abitualmente divisi in varie categorie in relazione al numero di elementi che essi comprendono. 

La cella è costituita da un materiale semiconduttore, il silicio, di spessore molto piccolo; questo viene trattato mediante  “drogaggio” con atomi di fosforo e boro per ottenere correnti elettriche stabili all’interno della cella.
   Allo strato di silicio vengono applicati i contatti elettrici metallici (in argento o alluminio) che sono costituiti da una superficie continua sul fronte posteriore ed una griglia sul lato anteriore della cella. La loro funzione è quella di captare il maggior flusso elettrico possibile e convogliarlo all’esterno.
   Successivamente viene applicato un rivestimento antiriflettente costituito dalla deposizione di uno strato sottile di ossido di titanio per minimizzare la componente di radiazione solare riflessa.

La superficie non è piana, ma sagomata in minuscole piramidi al fine di aumentare la superficie utile per la captazione e favorire le riflessioni reciproche.

Il rendimento di conversione è il rapporto tra la massima potenza Pmax[Wp] che si ottiene dalla cella e la potenza totale della radiazione incidente sulla superficie frontale; esso diminuisce all’aumentare della temperatura delle celle, poiché il caldo ostacola il passaggio degli elettroni nel semiconduttore.  Le celle fotovoltaiche hanno diverse dimensioni a seconda della loro tipologia.      

Silicio monocristallino:

le celle hanno un grado di maggior purezza del materiale e garantiscono le migliori prestazioni in termini di efficienza avendo il rendimento più alto pari al 15%.

Si presentano di colore blu scurissimo uniforme e hanno forma circolare o ottagonale, di dimensione dagli 8 ai 12 cm di diametro e 0.2 -0.3 mm di spessore.

Silicio policristallino:

le celle hanno una purezza minore, condizione che comporta una minor efficienza ossia il loro rendimento si aggira tra l’11 e il 14%.

Si presentano di un colore blu intenso cangiante dovuto alla loro struttura policristallina.

Hanno forma quadrata o ottagonale e di spessore analogo al precedente tipo.

Silicio amorfo:

si tratta della deposizione di uno strato sottilissimo di silicio cristallino (1-2 micron) su superfici di altro materiale, ad esempio vetri o supporti plastici.

In questo caso è improprio parlare di celle, in quanto possono essere ricoperte superfici anche consistenti in modo continuo.

L’efficienza di questa tecnologia è sensibilmente più bassa, nell’ordine del 5-6.8% ed è soggetta a un decadimento consistente  (-30%) delle proprie prestazioni nel primo mese di vita (effetto Stabler-Wronsky) che impone quindi un sovradimensionamento della superficie installata, in modo da consentire in fase di esercizio la produzione di energia elettrica preventivata in sede di progetto.

Moduli

Una singola cella fotovoltaica produce una piccola quantità di energia elettrica; per ottenere potenze maggiori si  collegano più celle tra loro e si ricoprono con materiale trasparente. Le case costruttrici propongono vari tipi di moduli e di varie dimensioni in modo da soddisfare le richieste del mercato; la scelta è fatta in base alla potenza complessiva dell'impianto ed alla superficie a disposizione. Si possono usare pannelli con silicio monocristallino, policristallino o moduli integrati con le superfici da rivestire.