Els panells solars fotovoltaics, mòduls fotovoltaics o col·lectors solars fotovoltaics (anomenats de vegades panells solars, encara que aquesta denominació inclou altres dispositius),També anomenat mòdul, placa, captador, plafó o col·lector solar fotovoltaic estan formats per un conjunt de cel·les fotovoltaiques que produeixen electricitat a partir de la llum que incideix sobre ells (energia solar). El paràmetre estandarditzat per poder classificar la seva potència s'anomena potència pic, i es correspon amb la potència màxima que el mòdul pot lliurar sota unes condicions estandarditzades, que són una radiació de 1000 W/m² i una temperatura de cel·la de 25 °C (és a dir, una temperatura ambient d'uns 5 °C). A temperatures ambientals superiors a 5 °C el rendiment dels panells disminueix. Per exemple, als Països Catalans el rendiment és un 10% inferior a causa de les condicions climàtiques.
Tipus de panells fotovoltaics miniatura|Panells solars. Cel·les TFS: com les usades a les calculadores. Són flexibles i es poden adaptar a formes diverses, com per exemple maons semicilíndrics. Cel·les cristal·lines Monocristal·lines: es componen de seccions d'un únic cristall de silici (forma circular o octogonal, on els 4 costats curts, si s'observa, s'aprecia que són corbs, pel fet que és una cel·la circular retallada). Policristal·lines: estan formades per petites partícules cristall. No tenen aparença uniforme pel que fa al color, es veuen una mena d'aigües. Tampoc presenten espais buits. Són més econòmiques que les monocristal·lines però també menys eficients. De concentració (panell termo-fotovoltaic): permeten estalviar superfície i produeix aigua calenta a part d'electricitat. És més car que els panells plans. Placa bifacial: de material NPN (negatiu-positiu-negatiu). Panell pla que capta llum solar per les seves dues cares, amb l'ajuda d'un mirall que reflecteix els rajos solars per tal que arribin a la cara del panell no encarada al sol. És dels menys habituals. Placa semitransparent o modulable: es fa servir en instal·lacions agrivoltaiques per tal procurar al cultiu la llum que fa menester per la fotosíntesi, segons la fase de creixement de les espècies conreades. Amòrfones: de PVC, adopten la forma de l'objecte sobre el qual es disposen. Es fan servir a cobertes molt grans que de tota manera s'han de cobrir, substituint una tela asfàltica. El seu rendiment és molt baix, del voltant del 6%, però surten a compte perquè el seu preu és molt econòmic. Existeixen igualment pintures amb efecte fotovoltaic.
L'efectivitat és major com més grans són els vidres, però també el pes, gruix i cost. El rendiment de les primeres pot arribar al 20% mentre que el de les últimes pot no arribar al 10%, però el seu cost i pes és molt inferior.Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg, Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39, (2014), 748–764, S. 754, La placa fotovoltaica està dissenyada per suportar les condicions que es donen a l'aire lliure i poder formar part de la “pell” de l'edifici. La seva vida útil es considera de vint-i-cinc anys.
Les cel·les s'encapsulen en una resina, i es col·loquen entre dues làmines per formar els mòduls. La làmina exterior és de vidre i la posterior pot ser de plàstic opac o de vidre, si es vol fer un mòdul semitransparent.
A l'hemisferi nord, cal orientar les plaques, en direcció sud i amb una inclinació determinada. La més apropiada en cada emplaçament depèn de la latitud i de l'època de l'any. Un estudi de radiació solar per a cada emplaçament pot determinar l'inclinació més eficient. A Catalunya, l'Atles de Radiació Solar facilita aquest treball. D'altra banda la inclinació dels mòduls variarà en funció de les necessitats energètiques previstes i del període d'utilització, per tal de fer un balanç estacional (hivern, estiu) o anual.
Història miniatura|James Van Allen (al centre) amb una rèplica del propulsor que va llançar lExplorer 1 l'any 1958. El terme fotovoltaic prové del grec φώς: phos, que significa "llum" i voltaic, que prové del camp de l'electricitat, en honor del físic italià Alessandro Volta, (que també proporciona el terme volt a la unitat de mesura de la diferència de potencial en el Sistema Internacional de mesures). El terme fotovoltaic es va començar a utilitzar a Anglaterra des de l'any 1849.
L'efecte fotovoltaic va ser reconegut per primera vegada el 1839 pel físic francès Antoine Henri Becquerel, però la primera cel·la solar no es va construir fins a 1883. El seu autor va ser Charles Fritts, qui va recobrir una mostra de seleni semiconductor amb un pa d'or per formar l'entroncament. Aquest primitiu dispositiu presentava una eficiència de només un 1%. Russell Ohl va patentar la cel·la solar moderna l'any 1946, tot i que Sven Ason Berglund ja l'havia patentat, amb anterioritat, un mètode que tractava d'incrementar la capacitat de les cel·les fotosensibles.
L'era moderna de la tecnologia de potència solar no va arribar fins a l'any 1954 quan els Laboratoris Bell, van descobrir, de manera accidental, que els semiconductors de silici dopat amb certes impureses, eren molt sensibles a la llum.
Aquests avenços van contribuir a la fabricació de la primera cel·la solar comercial amb una conversió de l'energia solar d'aproximadament el 6%. L'URSS va llançar el seu primer satèl·lit espacial l'any 1957, i els EUA un any després. En el disseny d'aquest es van usar cel·les solars creades per Peter Illes en un esforç encapçalat per la companyia Hoffman Electronics.
La primera nau espacial que va usar panells solars va ser el satèl·lit nord-americà Vanguard 1, llançat el març de 1958. Aquesta fita va generar un gran interès en la producció i llançament de satèl·lits geoestacionaris per al desenvolupament de les comunicacions, en els quals l'energia provindria d'un dispositiu de captació de la llum solar. Va ser un desenvolupament crucial que va estimular la investigació per part d'alguns governs i que va impulsar la millora dels panells solars.
El 1970 la primera cel·la solar amb heteroestructura d'arsenur de gal·li (GaAs) i altament eficient es va desenvolupar en l'extinta URSS per Zhora Alferov i el seu equip d'investigació.
La producció d'equips de deposició química de metalls per vapors orgànics o MOCVD (de l'anglès Metall Organic Chemical Vapor Deposition), no es va desenvolupar fins als anys 80 del segle passat, limitant la capacitat de les companyies en la manufactura de cel·les solars d'arsenur de gali. La primera companyia que manufacturar panells solars en quantitats industrials, a partir d'unions simples de GaAs, amb una eficiència de AM0 (Air Mass Zero) del 17% va ser la nord-americana ASEC (de l'anglès Applied Solar Energy Corporation). La connexió dual de la cel es va produir en quantitats industrials per ASEC el 1989, de manera accidental, com a conseqüència d'un canvi del GaAs sobre els substrats de GaAs a GaAs sobre substrats de germani.
El dopatge accidental de germani (Ge) amb GaAs com a capa amortidora va crear circuits de voltatge oberts, demostrant el potencial de l'ús dels substrats de germani com altres cel. Una cel d'unions simples de GaAs va arribar al 19% d'eficiència AM0 el 1993. ASEC desenvolupar la primera cel de doble unió per les naus espacials usades en els EUA, amb una eficiència d'un 20% aproximadament.
Aquestes cel no usen el germani com a segona cel, però usen una cel obtinguda a partir de GaAs amb diferents tipus de dopatge. De manera excepcional, les cel·les de doble unió de GaAs poden arribar a produir eficiències AM0 de l'ordre del 22%. Les unions triples comencen amb eficiències de l'ordre del 24% el 2000, 26% el 2002, 28% el 2005, i han arribat, de manera corrent al 30% el 2007. El 2007, dues companyies nord-americanes Emcore Photovoltaics i Spectrolab, produeixen el 95% de les cel·les solars del 28% d'eficiència.
Diferents generacions de cel·les fotovoltaiques En una mostra de metall, els electrons exteriors dels seus àtoms, anomenats electrons de valència es poden moure lliurement. Es diu que estan deslocalitzats en regions de l'espai que ocupen tota la xarxa cristal·lina, com si es tractés d'una malla. En termes energètics això vol dir que els electrons de l'última capa de l'àtom ocupen nivells d'energia alts que els permet escapar de l'enllaç que els uneix al seu àtom.
El conjunt d'aquests nivells, molt propers els uns dels altres, formen part de l'anomenada banda de conducció (en endavant BC). Aquesta banda està formada, a més, per nivells d'energia buits i és, precisament, l'existència d'aquests nivells buits la que permet que els electrons puguin saltar a ells quan se'ls posa en moviment, en aplicar un camp elèctric. Precisament aquesta circumstància permet que els metalls siguin conductors de l'electricitat.
Els altres electrons de l'àtom, amb energies menors, formen la banda de valència (BV). La distància entre les dues bandes, en termes d'energia, és nul. Ambdues bandes se superposen de manera que els electrons de la BV amb més energia es troben, també, en la BC.
A les substàncies aïllants, la BC està completament buida perquè tots els electrons, inclosos els de l'última capa estan lligats a l'àtom, tenen una energia més baixa i, per tant, es troben a la banda de valència, ia més la distància entre les bandes (s'anomena a aquesta distància energètica banda prohibida, o gap) és bastant gran, de manera que els és molt difícil saltar a la BC. Com la BV és plena, els electrons no poden moure's i no pot haver corrent elèctric en aplicar un voltatge entre els extrems de l'aïllant.
En els semiconductors, les bandes de valència i conducció presenten una situació intermèdia entre la qual es dona en un conductor i la que és normal en un aïllant. La BC té molt pocs electrons. La raó és que la separació que hi ha entre la BV i la BC no és nul, però si petita. Així s'explica que els semiconductors augmenten la seva conductivitat amb la temperatura, ja que l'energia tèrmica subministrada és suficient perquè els electrons puguin saltar a la banda de conducció, mentre que els conductors la disminueixen, ja que les vibracions dels àtoms augmenten i dificulten la mobilitat dels electrons.
El més interessant dels semiconductors és que la seva petita conductivitat elèctrica és deguda, tant a la presència d'electrons a la BC, com que la BV no està totalment plena.
Quatre generacions de cel·les fotovoltaiques miniatura|Barra de silici policristal·lí. La primera generació de cel·les fotovoltaiques consistien en una gran superfície de vidre simple. Una simple capa amb unió díode pn, capaç de generar energia elèctrica a partir de fonts de llum amb longituds d'ona similars a les que arriben a la superfície de la Terra provinents del Sol. Aquestes cel·les estan fabricades, usualment, usant un procés de difusió amb oblies de silici. Aquesta primera generació (coneguda també com a cel·les solars basades en oblia) són, actualment, (2007) la tecnologia dominant en la producció comercial i constitueixen, aproximadament, el 86% del mercat de cel·les solars terrestres.
La segona generació de materials fotovoltaics es basen en l'ús de dipòsits epitaxials molt prims de semiconductors sobre hòsties amb concentradors. Hi ha dos tipus de cel·les fotovoltaiques epitaxials: les espacials i les terrestres. Les cel·les espacials, usualment, tenen eficiències AM0 (Air Mass Zero) més altes (28-30%), però tenen un cost per watt més alt. En les terrestres la pel·lícula prima s'ha desenvolupat usant processos de baix cost, però tenen una eficiència AM0 (7-9%), més baixa, i, per raons evidents, es qüestionen per a aplicacions espacials.