La palabra fotovoltaica se compone de dos términos: Foto = Luz, Voltaica = Electricidad. Es un dispositivo que convierte directamente la luz solar en electricidad.

Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales especiales llamados semiconductores tales como el silicio, que es el material más usado. Cuando la luz solar choca en la celda una cierta porción de ella es absorbida dentro del material semiconductor. Esto significa que la energía de la luz absorbida es transferida al semiconductor. La energía golpea los electrones libres permitiendoles fluir libremente.

Todas celdas fv tienen uno o más campos eléctricos que actúan para forzar a los electrones liberados por la acción de la luz para fluir en una cierta dirección. Este flujo de electrones es una corriente y poniendo los contactos de metal en la parte superior e inferior de la celda fv podemos dibujar la corriente para usarla externamente. Esta corriente junto con el voltaje de celda, define la potencia que puede entregar la celda solar.

El silicio tiene algunas propiedades químicas especiales, sobre todo en su forma cristalina. Un átomo de silicio tiene 14 electrones dispuestos en tres capas diferentes. Las primeras dos capas, las más cercanas al centro están completamente llenas. La capa exterior sólo está semi llena, por cuanto tiene sólo cuatro electrones. Un átomo de silicio siempre buscará llenar su última capa con 8 electrones. Para hacer esto compartirá cuatro electrones de su átomo vecino. Este proceso forma la estructura cristalina y esta estructura resulta ser importante para este tipo de celdas fv. Este silicio puro no sirve como conductor, por eso se utiliza silicio con impurezas. Normalmente se utilizan estructuras de silicio con fósforo ya que este al tener 5 electrones, deja uno libre no atado a la estructura. Al aplicar energía, por ejemplo en forma de calor, este electrón es liberado de su posición más facilmente que en una estructura de silicio puro. Este proceso de agregar impurezas al silicio, se denomina Dopping. Cuando al silicio se le hace doping con fósforo resulta un silicio llamado tipo-N, porque prevalecen los electrones libres. El silicio tipo-N es mucho mejor conductor que el silicio puro.

Cuando al silicio se le hace doping con boro, el cual tiene 3 electrones en la última capa, se denomina silicio tipo-P. El silicio tipo-P, en lugar de tener electrones libres tiene huecos libres. Los huecos son ausencia de electrones, llevando así carga opuesta a la del electrón, es decir carga positiva. Estos se mueven igual como lo hacen los electrones.

Las celdas fv sin un campo eléctrico no funcionarían. Este campo eléctrico lo podemos formar al poner en contacto un silicio tipo-N y un silicio tipo-P. En la juntura se produce una barrera que hace dificil que los electrones del lado N crucen hacia el lado P, tenemos un campo electrico que separa los 2 lados. Este campo actúa como un diodo permitiendo con ayuda de la aplicación de energía externa los electrones fluyan desde el lado P al N.

Cuando la luz en forma de fotón choca con nuestra celda, libera pares de electrón-hueco. Cada fotón liberará exactamente un electrón dejando un agujero libre. Si esto sucede lo bastante cerca del campo eléctrico, este hará que se envie un electrón al lado N y un hueco al lado P. Esto provoca la ruptura de la neutralidad eléctrica. Si además se le proporciona un camino externo, los electrones fluirán hacia su lado original (Lado tipo-P) para unirse con los agujeros.

Los electrones que fluyen constituyen la corriente y el campo electrico de la celda constituye el voltaje. Con la corriente y voltaje tenemos la potencia de la celda.

¿Cuánta energía solar absorbe la celda fv?

La mayoría de las celdas pueden absorber alrededor del 25% y con mayor probabilidad 15% o menos. Esto es porque la luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético. Y la radiación electromagnético no es monocromática. La luz puede ser separada en diferentes longitudes de onda.

La luz que golpea tiene fotones con una gran variedad de energía, resulta que algunos no tienen la energía suficiente para formar el par electrón hueco. Mientras que otros fotones tienen mucho más energía.
Sólo se requiere una cierta cantidad de energía medida en electrón-volt para golpear un electrón libre (para el caso del silicio cristalino se requiere 1.1 eV). A esto se le llama banda de intervalo de energía de un material.(band gap energy)

La banda óptima de intervalo de energía es 1.4 eV para una celda hecha de un material simple.
Existen otras pérdidas, como lo es la resistencia interna de la celda llamada resistencia serie. Para minimizar estas pérdidas la celda es cubierta por un a grilla metálica, sobre la grilla se coloca una cubierta antireflectiva y sobre esta una cubierta de vidrio como protección. Esto reduce las pérdidas en un 5%.

Otros Materiales

Existe tambien el silicio policristalino, pero no es más eficiente que el silicio cristalino.

Estos materiales tienen diferentes intervalos de bandas y parecen estar sitonizados a diferentes longitudes de onda o a fotones con diferentes energías.

Se ha probado que el uso de dos o más capas de diferentes materiales con diferentes intervalos de bandas de energía resulta ser muy eficiente. El material con mayor banda se coloca en la superficie y más abajo los que requieren fotones con menor energía. Estas celdas reciben el nombre de multijuntiras, y pueden tener más de un campo eléctrico.

Materiales densamente cristalinos

Simple silicio cristalino--Rebanado desde simple cristal de silicio crecido, estas celdas son tienen un grosor de 200 micrones. La celda investigada ha alcanzado un 24% de eficiencia, los módulos comerciales exceden el 15%.

Silicio Policritalino--Rebanado de bloques del molde de silicio, estas celdas son menos caras para fabricar y menos eficientes que las celdas de simples de cristal de silicio. Las celdas investigadas alcanzan un 18% de eficiencia y los modulos comerciales alcanzan un 14%.

Redes Dendriticas--Una película de cristales simples de silicio sacado desde Silicio fundido, como una burbuja de jabón, entre dos cristales dendríticos.

Arseniuro Galio (GaAs)

Un material semiconductor III-V desde los cuales hacen celdas FV de gran eficiencia, son usados en sistemas de concentradores y en sistemas de potencia espacial. Investigaciones dicen que alcanzan 25% de eficiencia bajo luz solar y 28% bajo luz solar concentrada. Las celdas de multijuntura están basadas en GaAs y relacionadas con aleaciones  III-V han excedido el 30% de eficiencia.

Materiales de película delgada

Silicio Amorfo (a-Si)

El silicio amorfo que es una estructura no cristalina. Primer uso en materiales FV en 1974. En 1996, el silicio amorfo constituyó más del 15% de la producción mundial de FV. Pequeños modulos experimentales de Si-a superan el 10% de eficiencia, en los modulos comerciales se alcanza un rango entre el 5-7%. Usado en productos de consumo, el Si-a es la gran promesa para la construcción de sistemas intergrados, reemplazando los vidrios tintados con modulos semi-transparentes.

Telururo de Cadmio (CdTe)

Una delgada película de material policristalino, depositado por electrodeposición. Pequeños laboratorios se han acercado al 16% de eficiencia, y con un modulo comercial de tamaño (7200-cm²) midieron 8.34% de eficiencia, y producción de modulos de 7%.

Diseleniuro de Cobre Indio(CuInSe2, or CIS)

Una película de material policristalino, el cual alcanza una eficiencia de 17.7%, en 1996, con un prototipo modulo de potencia alcanza los 10.2%. La dificultad en tomar esta tecnología es la dificultad de evitar la formación de defectos durante la deposición que previenen la formación de capas uniformes.

Concentradores

El sistema de concentradores usa lentes para focalizar la luz dentro de las celdas solares. Los Lentes, con un radio de concentración de 10x to 500x, típicamente focos lineales o puntuales. Las celdas son usualmente de silicio. Las celdas GaAs y otros materiales tienen alta eficiencia conversión a altas temperaturas, pero ellos son muy caros. La eficiencia de los modulos supera el 17%, y concentradores están diseñados para una eficiencia de conversión  que supera el 30%.

Los Reflectores pueden ser usados para aumentar la salida de potencia, aumentando la intensidad de la luz en los módulos, o prolongar su tiempo.

Sistema de Concentradores:  Las lentes no pueden centrar la luz dispersada, limitando su uso de áreas, como áreas del desierto, con un número substancial de días despejados en el año.