Le celle fotovoltaiche sono i dispositivi che consentono la trasformazione diretta dell'energia della luce (o più in generale della radiazione elettromagnetica) in energia elettrica.
Il loro funzionamento si basa sul fenomeno della fotoconduttività e sull'effetto fotovoltaico. La fotoconduttività consiste nell'aumento della conducibilità elettrica di un semiconduttore – o più in generale di un isolante – quando il materiale, irraggiato con radiazione elettromagnetica, assorbe una frazione dell'energia incidente; il fenomeno è cospicuo nei materiali semiconduttori (silicio, germanio ecc.).
L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una forza elettromotrice conseguente all'assorbimento di radiazione da parte di un dispositivo a semiconduttore basato su una “giunzione p—n”; senza entrare in dettagli, si può dire che la giunzione ha il ruolo di separare le cariche elettriche positive e negative generate nel materiale dalla radiazione assorbita. Di conseguenza si genera, ai lati opposti della giunzione, una differenza di potenziale elettrico che può essere sfruttata per ottenere una corrente continua. I dispositivi basati su questo effetto si chiamano celle fotovoltaiche. Piccole celle fotovoltaiche, che appaiono come placchette scure, si trovano nelle calcolatrici tascabili, negli orologi digitali, giocattoli ecc., e ne permettono il funzionamento in assenza di pile di alimentazione.
Il rendimento dei dispositivi fotovoltaici comuni è dell'ordine del 10—15%, ossia solo il 10—15% dell'energia luminosa incidente è convertita in energia elettrica; alcuni dispositivi particolari, usati soprattutto nel settore aerospaziale, raggiungono efficienze superiori al 30%.

Nella maggior parte delle applicazioni per lo sfruttamento dell'energia solare, per disporre di una potenza elettrica sufficiente, più le celle sono interconnesse a formare un modulo fotovoltaico.
Inizialmente i moduli fotovoltaici furono impiegati in installazioni lontane dalla rete di distribuzione elettrica, dove, nonostante il costo ancora molto alto, era conveniente non dipendere da altre sorgenti di generazione elettrica, tipicamente in satelliti artificiali, boe marine, aiuti alla navigazione, villaggi isolati. È evidente che in questi impieghi è necessario disporre della possibilità di accumulare l'energia ottenuta durante le ore di insolazione, per far fronte alle esigenze durante le ore di buio. Inoltre, per molti usi, l'energia elettrica deve essere disponibile come corrente alternata alla tensione di rete (220 Volt), mentre le celle fotovoltaiche producono corrente continua a bassa tensione; questa trasformazione viene realizzata attraverso l'uso di uno strumento chiamato “inverter”.
Negli ultimi 10—15 anni si è assistito a una graduale diffusione di impianti fotovoltaici domestici, e anche commerciali industriali, soprattutto di quelli “grid—connected”, ossia connessi alla rete di distribuzione in modo che l'energia in eccesso ottenuta durante le ore di insolazione viene trasferita alla rete (e conteggiata), mentre durante le ore notturne si ricorre alla rete, come nei nelle utenze normali, evitando cosí la necessità di impianti di accumulazione. Secondo la International Energy Agency, nel 2002 la potenza installata nei 20 stati che partecipano al suo programma di cooperazione era di 1330 MW (il 90% della installazione mondiale), con l'Italia al 5° posto, dopo Giappone, Germania, Stati Uniti, Paesi Bassi. Il “rate” di crescita è stato tra il 20 e il 40% all'anno, a seconda degli anni, a partire dai 100 MW del 1992.
Secondo lo Earth Policy Institute, nel 2003 la produzione mondiale di celle fotovoltaiche è stata di 740 MW, con una crescita del 30% rispetto all'anno precedente; i cinque maggiori produttoricontrollano il 60% del mercato, e la sola Sharp (giapponese) ne controlla il 27%.

Se il ritmo di crescita è notevole, bisogna ricordare che il valore raggiunto è ancora modestissimo, rispetto alla potenza elettrica installata nel mondo (termoelettrica, idroelettrica, nucleare): un singolo impianto convenzionale tipico ha una potenza quasi equivalente, 1000 MW.
Fino a qui tutto semplice, e a questo punto cade a proposito chiedersi come mai lo sfruttamento dell'energia solare copra solo una frazione trascurabile nella generazione di energia elettrica?
Eppure l'energia solare è una fonte rinnovabile e inesauribile, non è inquinante quindi evita il rischio di effetto serra e di altri danni all'ambiente, non comporta rischi tipo radioattività, rottura di dighe, disastri dalle petroliere, è quasi equamente distribuita sulla superficie terrestre mentre le fonti fossili non lo sono.
Le risposte che si danno sono varie e in parte dipendono dalle convinzioni dell'interlocutore, anche dell'interlocutore informato.
Quasi tutti convengono sul fatto che a tutt'oggi la difficoltà principale è quella dei costi, rispetto ai costi relativamente bassi delle fonti fossili e del nucleare.
Un'indicazione di questa difficoltà è il fatto che l'installazione dei moduli fotovoltaici deve essere fortemente sostenuta da investimenti pubblici e agevolazioni fiscali per stimolare il mercato e lo sviluppo. Nei 20 stati considerati nel 2002 gli investimenti pubblici, includendo quelli per Ricerca e Sviluppo (R&D), sono stati di oltre 500 milioni di dollari, con l'Italia al terzo posto, anche se con scelte tecnologiche in parte discutibili. Le politiche governative di sostegno delle energie rinnovabili sono dunque essenziali, anche se non sempre hanno successo; ad esempio il programma lanciato nel 1997 da Clinton “un milione di tetti solari” alla fine del 2003 ha realizzato solo 230000 tetti residenziali con pannelli fotovoltaici. La Cina sta investendo 1,2 miliardi di dollari per realizzare una potenza di 300 MW entro il 2005.
Come per altre produzioni industriali, aumentando la produzione e sviluppando le tecnologie si riducono i costi unitari, quindi si accresce la convenienza a sfruttare il fotovoltaico. Dal 1995 le riduzione media dei costi è stata di circa il 5% all'anno. In particolare le celle fotovoltaiche a film sottili offrono una prospettiva allettante di riduzione dei costi di produzione, rispetto alle tradizionali celle al silicio. Se il costo, che oggi è di circa 2,5 euro/WATTpicco si riducesse di un fattore 3, la diffusione esploderebbe.
Tuttavia anche in prospettiva non sembra probabile che questa forma di conversione dell'energia possa produrre una frazione consistente delle richieste (crescenti) di energia elettrica nel prossimo futuro.

Sul lungo periodo si può pensare anche a soluzioni più importanti, come pannellizzare ampie zone desertiche e immagazzinare sotto forma di idrogeno l'energia prodotta.

Potenza totale installata in alcuni paesi Europei, aggiornato alla fine 2003 (in MWp)
	1998	1999	2000	2001	2002	2003
UK	0,7	1,1	1,9	2,7	4,1	5,53
Norvegia	5,4	5,7	6	6,2	6,4	7
Austria	2,9	3,7	4,9	6,6	9	16,83
Svizzera	11,5	13,4	15,3	17,6	19,5	21
Francia	7,6	9,1	11,3	13,9	17,2	21,71
Italia	17,7	18,5	19	20	22	26,02
Spagna	8	9,1	9,1	16	16	27,26
Olanda	6,5	9,2	12,8	20,5	26,3	48,63
Germania	53,9	69,5	113,8	194,7	277,3	397,6
Totale EU	114,2	139,3	194,1	298,2	397,8	571,58

Potenza fotovoltaica installata pro—capite (in Watt di picco) in alcuni paesi industrializzati
Lussemburgo	7,82
Giappone	5,00
Germania	4,85
Olanda	3,02
Austria	2,00
USA	0,75
Italia	0,45
Francia	0,28
Inghilterra	0,07

Potenza fotovoltaica installata in Italia
Applicazione	Potenza totale installata fine 2002 (MWp)	Potenza totale installata fine 2003 (MWp)
Domestico off—grid	5,3	5,5
Non domestico off—grid	6,4	6,6
Residenziale on—grid	3,6	6,6
Centralizzato on—grid	6,7	6,7
Totale	22	25,4