یک سلول فتوولتائیک (PV) که معمولاً سلول خورشیدی نامیده می‌شود، یک وسیله غیرمکانیکی است که نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند. برخی از سلول‌های PV می‌توانند نور مصنوعی را به الکتریسیته تبدیل کنند. نور خورشید از فوتون‌ها یا ذرات انرژی خورشیدی تشکیل شده است. این فوتون‌ها حاوی مقادیر مختلفی از انرژی هستند که با طول موج‌های مختلف طیف خورشیدی مطابقت دارند.   
یک سلول PV از مواد نیمه‌هادی ساخته شده است. هنگامی که فوتون‌ها به یک سلول PV برخورد می‌کنند، از سلول منعکس می‌شوند، از سلول عبور می‌کنند یا توسط ماده نیمه‌هادی جذب می‌شوند. فقط فوتون‌هایی که جذب می‌شوند، انرژی لازم برای تولید برق را فراهم می‌کنند. هنگامی که ماده نیمه‌هادی به اندازه کافی نور خورشید (انرژی خورشیدی) را جذب می‌کند، الکترون‌ها از اتم‌های ماده جدا می‌شوند. عملیات ویژه روی سطح سلول PV در طول ساخت، سطح جلویی سلول را برای الکترون‌های جدا شده یا آزاد پذیراتر می‌کند، به طوری که الکترون‌ها به طور طبیعی به سطح سلول مهاجرت می‌کنند.

جریان الکتریسیته در سلول خورشیدی

حرکت الکترون‌ها، که همگی بار منفی دارند، به سمت سطح جلویی سلول PV، عدم تعادل بار الکتریکی بین سطوح جلویی و پشتی سلول ایجاد می‌کند. این عدم تعادل، به نوبه خود، پتانسیل ولتاژی مشابه پایانه‌های منفی و مثبت باتری ایجاد می‌کند. رساناهای الکتریکی روی سلول PV، الکترون‌ها را جذب می‌کنند. هنگامی که رساناها در یک مدار الکتریکی به یک بار خارجی مانند باتری متصل می‌شوند، الکتریسیته از طریق مدار جریان می‌یابد.

سلول‌ها، پنل‌ها و آرایه‌های PV

سلول PV واحد سازنده‌ی اصلی یک سیستم PV است. سلول‌های منفرد می‌توانند از 0.5 اینچ تا حدود 4.0 اینچ قطر داشته باشند. با این حال، یک سلول PV تنها می‌تواند 1 یا 2 وات تولید کند که فقط برای مصارف کوچک، مانند تأمین انرژی ماشین حساب یا ساعت مچی، کافی است.   
سلول‌های PV به صورت الکتریکی در یک پنل PV بسته‌بندی شده و مقاوم در برابر آب و هوا (که گاهی اوقات ماژول نامیده می‌شود) به هم متصل شده‌اند. پنل‌های PV از نظر اندازه و میزان برقی که می‌توانند تولید کنند، متفاوت هستند. ظرفیت تولید برق برای پنل‌های PV با تعداد سلول‌های موجود در پنل یا در سطح پنل افزایش می‌یابد. پنل‌های PV را می‌توان به صورت گروهی به هم متصل کرد تا یک آرایه PV تشکیل دهند. یک آرایه PV می‌تواند از دو پنل PV تا صدها پنل PV تشکیل شود. تعداد پنل‌های PV متصل در یک آرایه PV، میزان برقی را که آرایه می‌تواند تولید کند، تعیین می‌کند.   
سلول‌های PV برق جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند. از برق DC می‌توان برای شارژ باتری‌هایی که دستگاه‌هایی را که از برق DC استفاده می‌کنند، تغذیه می‌کنند، استفاده کرد. تقریباً تمام برق به صورت جریان متناوب (AC) در سیستم‌های انتقال و توزیع برق تأمین می‌شود. دستگاه‌هایی به نام اینورتر در پنل‌های فتوولتائیک یا در آرایه‌های فتوولتائیک برای تبدیل برق DC به برق AC استفاده می‌شوند.   
سلول‌ها و پنل‌های فتوولتائیک زمانی بیشترین برق را تولید می‌کنند که مستقیماً رو به خورشید باشند. پنل‌ها و آرایه‌های فتوولتائیک می‌توانند از سیستم‌های ردیابی برای نگه داشتن پنل‌ها رو به خورشید استفاده کنند، اما این سیستم‌ها گران هستند. اکثر سیستم‌های فتوولتائیک دارای پنل‌هایی در موقعیت ثابت هستند که معمولاً در نیمکره شمالی مستقیماً رو به جنوب - یا در نیمکره جنوبی مستقیماً رو به شمال - با زاویه‌ای هستند که عملکرد فیزیکی و اقتصادی سیستم را بهینه می‌کند.

راندمان سیستم PV

بازده تبدیل نور خورشید به برق توسط سلول‌های PV بسته به نوع ماده نیمه‌هادی و فناوری سلول PV متفاوت است. راندمان پنل‌های PV موجود در بازار در اواسط دهه 1980 به طور متوسط کمتر از 10٪ بود، تا سال 2015 به حدود 15٪ افزایش یافت و اکنون برای ماژول‌های پیشرفته به 25٪ نزدیک می‌شود. سلول‌های PV آزمایشی و سلول‌های PV برای بازارهای خاص، مانند ماهواره‌های فضایی، به راندمان تقریباً 50٪ دست یافته‌اند.

کاربردهای سیستم PV

هنگامی که خورشید می‌تابد، سیستم‌های PV می‌توانند برق تولید کنند تا مستقیماً دستگاه‌هایی مانند پمپ‌های آب را تغذیه کنند یا شبکه‌های برق را تغذیه کنند. سیستم‌های PV همچنین می‌توانند باتری را شارژ کنند تا در مواقعی که خورشید نمی‌تابد، برق را برای دستگاه‌های منفرد، خانه‌های تکی یا شبکه‌های برق تأمین کنند. 
برخی از مزایای سیستم‌های PV عبارتند از:

• سیستم‌های PV می‌توانند برق را در مکان‌هایی که سیستم‌های توزیع برق (خطوط برق) وجود ندارد، تأمین کنند و همچنین می‌توانند برق را به شبکه‌های برق تأمین کنند.
• آرایه‌های PV را می‌توان به سرعت نصب کرد.
• اثرات زیست‌محیطی سیستم‌های PV واقع در ساختمان‌ها حداقل است.

تاریخچه سیستم‌های فتوولتائیک

اولین سلول فتوولتائیک کاربردی در سال ۱۹۵۴ توسط محققان شرکت تلفن بل توسعه داده شد. از اواخر دهه ۱۹۵۰، سلول‌های فتوولتائیک برای تأمین انرژی ماهواره‌های فضایی ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفتند. تا اواخر دهه ۱۹۷۰، پنل‌های فتوولتائیک در مکان‌های دورافتاده یا خارج از شبکه که خطوط برق نداشتند، برق تأمین می‌کردند. از سال ۲۰۰۴، اکثر سیستم‌های فتوولتائیک در ایالات متحده به شبکه متصل هستند - آنها به یک شبکه برق متصل هستند. این سیستم‌های فتوولتائیک روی یا نزدیک خانه‌ها و ساختمان‌ها و در نیروگاه‌های مقیاس بزرگ که حداقل ۱ مگاوات ظرفیت تولید برق دارند، نصب می‌شوند. پیشرفت‌های تکنولوژیکی، هزینه‌های پایین‌تر برای سیستم‌های فتوولتائیک و مشوق‌های مالی مختلف و سیاست‌های دولتی، به ویژه اعتبارات مالیاتی و اندازه‌گیری خالص، به گسترش چشمگیر استفاده از فتوولتائیک از اواسط دهه ۱۹۹۰ کمک کرده‌اند. اکنون میلیون‌ها سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه در ایالات متحده نصب شده‌اند.
تولید برق در نیروگاه‌های فتوولتائیک در مقیاس بزرگ از ۶ میلیون کیلووات ساعت (یا ۶۰۰۰ مگاوات ساعت [MWh]) در سال ۲۰۰۴ به حدود ۱۶۲ میلیارد کیلووات ساعت (یا ۱۶۱,۶۵۱,۰۰۰ مگاوات ساعت) در سال ۲۰۲۳ افزایش یافت. حدود ۷۴ میلیارد کیلووات ساعت (یا ۷۳,۶۱۹,۰۰۰ مگاوات ساعت) توسط سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه در مقیاس کوچک در سال ۲۰۲۳ تولید شد که نسبت به ۱۱ میلیارد کیلووات ساعت (یا ۱۱,۲۳۳,۰۰۰ مگاوات ساعت) در سال ۲۰۱۴ افزایش یافته است. سیستم‌های فتوولتائیک در مقیاس کوچک کمتر از ۱۰۰۰ کیلووات ظرفیت تولید برق دارند. اکثر سیستم‌های فتوولتائیک در مقیاس کوچک در ساختمان‌ها قرار دارند و گاهی اوقات سیستم‌های فتوولتائیک پشت بامی نامیده می‌شوند.