L'effetto fotovoltaico consiste nella trasformazione diretta della luce solare in energia elettrica, a differenza di quasi tutti gli altri sistemi per i quali c'è almeno un passaggio intermedio tra la fonte primaria e la produzione di energia elettrica: energia meccanica (es. eolico, idroelettrico..)  o energia termica ( es. termoelettrico a combustibili fossili, nucleare, ecc..).

L'effetto FV è noto fin dal XIX secolo quando si scoprì che era possibile trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica tramite una cella elettrolitica senza passare per processi termodinamici. La prima applicazione pratica si ebbe nel 1954 negli Stati Uniti, quando i laboratori Bell realizzarono la prima cella fotovoltaica utilizzando silicio monocristallino.

In sintesi l'energia si ottiene quando i fotoni della radiazione solare, colpendo una cella, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi del semiconduttore ( in genere silicio), gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che "incanalano" il flusso di elettroni  ottenendo una corrente continua di energia elettrica.

Il componente base dei sistemi fotovoltaici è la cella FV, un dispositivo costituito da una sottile fetta ( 0,3 mm ) di materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, opportunamente trattata. Ha una dimensione di circa 12 cm di lato ed è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard cioè quando si trova ad una temperatura di 25 °C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1.000 W/m², queste condizioni si hanno, per esempio, in centro Italia in una giornata limpida in aprile-maggio nelle ore centrali.

Le celle fotovoltaiche sono assemblate in un modulo FV che normalmente ne contiene 18 o 36 , i moduli a loro volta costituiscono i pannelli fotovoltaici. Per avere una potenza di picco ( potenza massima in condizioni standard) di 1.000 W ( 1 kWp) servono mediamente 10 m² di moduli fotovoltaici (per celle FV con un'efficienza del 10%).

In commercio attualmente sono presenti tre varietà di celle al silicio con efficienze che vanno dal 5% al 15% circa:

Celle al silicio monocristallino, costano di più e richiedono una maggiore quantità di energia per produrle ma hanno un'efficienza che può arrivare al 15%. 

Celle al silicio multicristallino (o policristallo) con un'efficienza fino al 12 %.

Pannelli al silicio amorfo, costano meno e richiedono meno energia per la produzione ma hanno efficienze minori (dal 5% al 9%).

Tipologia modulo	Energia  spesa per 1 kWp (energia grigia)	Energia prodotta da 1 kWp in 20 anni	Costo impianto  per kWp (Italia)
Monocristallino	6-9 MWh	18-23 MWh	9-12.000 €
Policristallino	5-7 MWh	16-19 MWh	7-11.000 €
Amorfo	3-5 MWh	10-17 MWh	5 - 9.000 €

Nella tavola una sintesi tra le diverse caratteristiche e rese delle varie tipologie di moduli in commercio 

Nonostante i costi si siano progressivamente ridotti negli ultimi decenni rimangono comunque elevati, oggi in un sito con buona insolazione il kWh prodotto non è inferiore a 0,27 Euro, circa 6 volte il costo dell'energia prodotta dai sistemi idroelettrici, 4 volte rispetto ai sistemi eolici e 2 volte il costo dell'energia elettrica normalmente pagata dalle utenze domestiche. In Germania e in Giappone i costi sono sensibilmente minori, il più grande impianto fotovoltaico d' Europa (5 MWp) recentemente installato ad Amburgo con una tecnologia all'avanguardia (17% di efficienza) ha avuto un costo di 4.000 € al kWp, in Italia abbiamo il record di costo: a Ginostra ( nell'isola di Stromboli) è stato recentemente inaugurato un impianto da 100 kWp che è costato 25.000 € al kWp.

Anche considerando miglioramenti di efficienza/costo il fotovoltaico attuale non sembra avere buoni margini di sviluppo e potrebbe rimanere un sistema di nicchia, le speranze per un concreto sviluppo sono riposte nelle molteplici tecnologie sperimentali: 

semiconduttori diversi dal silicio (arseniuro di gallio, solfuro di selenio...) , in laboratorio hanno permesso performance del 20%.

Celle multigiunzione , utilizzano strati di diversi semiconduttori i quali permettono di "assorbire " radiazioni in una più larga banda dello spettro solare.

Concentratori FV per mezzo di lenti ( es. Fresnel ), focalizzano la luce solare in un "punto" e quindi serve meno materiale semiconduttore che rappresenta buona parte del costo in un sistema FV.

L'integrazione delle tecnologie sopradette ha permesso di ottenere sistemi sperimentali che convertono il 37% della luce solare in energia elettrica.

La tecnologia che teoricamente promette maggiori sviluppi sono le " celle di Graetzel", il semiconduttore è composto da polimeri organici e "copia" la fotosintesi clorofilliana per ottenere energia elettrica, il vantaggio sta nei bassi costi di produzione previsti ( 600 € al kWp nel medio periodo) a scapito di una bassa efficienza ( 4%-7%), essendo in pratica una sorta di vernice-plastica è però possibile applicarle anche in pareti , infissi, parasole, ecc. attenuando l'impatto estetico e rimediando alla maggiore necessità di superficie per uguale potenza alla versatilità di installazione, una importante società produttrice di semiconduttori sta sviluppando la ricerca di queste celle e prevede la commercializzazione nell'arco di 10 anni.

La politica di incentivi adottata in passato non ha favorito lo sviluppo del fotovoltaico, anzi, da una parte ne ha limitato la diffusione (incentivi limitati e quindi anche casi di favoritismo) dall'altra non ha favorito la ricerca (quasi nessun fondo) ed essendo incentivi sull'investimento (conto capitale) hanno in molti casi fatto lievitare i prezzi e comunque non hanno certamente contribuito ad abbassarli. Con le nuove norme, che hanno preso spunto dal sistema tedesco, si premia la produttività dei sistemi (conto energia) e quindi l'utilizzatore finale sarà indotto a fare una scelta mirata alla migliore resa del sistema in rapporto al prezzo, dovendo comunque affrontare la spesa iniziale per l' intero costo. Come già detto il sistema in conto energia ha permesso, in Germania, l'installazione di numerosissimi sistemi FV, ad alta efficienza e ad un costo mediamente inferire del 50% rispetto ai sistemi installati in Italia, incentivati in conto capitale.

Francesco P.