A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade por meio do efeito fotovoltaico. A célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, é a unidade fundamental desse processo de conversão.
Este tipo de energia usa-se para alimentar uma grande variedade de aplicativos e aparelhos autónomos, para abastecer refúgios ou moradias isoladas da rede elétrica e para produzir eletricidade a grande escala através de redes de distribuição. Devido à crescente demanda de energias renováveis, a fabricação de células solares e instalações fotovoltaicas tem avançado consideravelmente nos últimos anos. Entre os anos 2001 e 2015 produziu-se um crescimento exponencial da produção de energia fotovoltaica, dobrando-se aproximadamente a cada dois anos. A potência total fotovoltaica instalada no mundo (conectada à rede) ascendia a 16 GWp em 2008, 40 GWp em 2010, 100 GWp em 2012 e 140 GWp em 2013.REN21 (2009).Martinot, Eric and Sawin, Janet (9 de setembro de 2009). No final de 2014, tinham-se instalado em todo mundo cerca de 180 GWp de potência fotovoltaica.
Graças a este crescimento, e a constante sofisticação e a economia de escala, o custo da energia solar fotovoltaica baixou gradualmente desde o inicio do seu desenvolvimento, aumentando a eficiência, e conseguindo que o seu custo médio de geração elétrica seja já competitivo com as fontes de energia convencionais num crescente número de regiões geográficas, atingindo a paridade de rede. A energia solar fotovoltaica converteu-se na terceira fonte de energia renovável mais importante em termos de capacidade instalada a nível global, após as hidroelétricas e eólicas, e supõe já uma fracção significativa do mix elétrico na União Europeia, cobrindo em media os 3,5 % da procura de eletricidade e atingindo os 7 % nos períodos de maior produção. Em alguns países, como a Alemanha, Itália ou Espanha, atinge máximos superiores a 10 %, do mesmo modo que no Japão ou em alguns estados soalheiros dos Estados Unidos, como a Califórnia.A fotovoltaica abasteceu em 8,4 % da procura elétrica na Itália em agosto de 2012. A produção anual de energia elétrica gerada mediante esta fonte de energia a nível mundial equivalia em 2015 a cerca de 184 TWh, suficiente para abastecer as necessidades energéticas de milhões de lares e cobrindo aproximadamente um 1 % da demanda mundial de eletricidade.
thumb|394x394px|O físico francês Alexandre-Edmond Becquerel foi o descobridor do efeito fotovoltaico em 1839, fundamental para o desenvolvimento das células fotoelétricas.
História thumb|Célula solar mono-cristalina durante a sua fabricação.|332x332px miniaturadaimagem|Painel solar de George Cove retratado na The Technical World Magazine em março de 1909.|249x249pxthumb|255x255px|Esquema do campo elétrico criado numa célula fotovoltaica mediante a união pn entre duas capas de semicondutores dopados. thumb|247x247px|Estrutura básica de uma célula solar baseada em silício, e o seu princípio de funcionamento.
O termo "fotovoltaico" começou-se a usar no Reino Unido no ano 1849. Vem do grego φώς: phos, que significa "luz", e de -voltaico, que vem do âmbito da eletricidade, em honra ao físico italiano Alessandro Volta.O físico Alexandre Volta também proporciona o termo Volt a unidade de medida da diferença de potencial no Sistema Internacional de medidas.
O efeito fotovoltaico foi reconhecido pela primeira vez uns dez anos antes, em 1839, pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, mas a primeira célula solar não se fabricou até 1883. Seu criador foi Charles Fritts, quem recobriu uma amostra de selênio semicondutor com pó de ouro para formar a união. Este dispositivo primitivo apresentava uma eficiência inferior a 1 %. Demonstrou de forma prática que era possível produzir eletricidade com luz. Os estudos realizados no século XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla e Heinrich Hertz sobre indução eletromagnética, forças elétricas e ondas eletromagnéticas, e sobretudo os de Albert Einstein em 1905, proporcionaram a base teórica ao efeito fotoelétrico, que é o fundamento da conversão de energia solar para eletricidade.
George Cove pode ter inventado um painel fotovoltaico em 1909, cerca de 40 anos antes da Bell Labs em 1950.
Princípio de funcionamento
Num semicondutor exposto à luz, um fotão de energia arranca um elétron, criando ao mesmo tempo uma lacuna ou buraco no átomo excitado. Normalmente, o elétron encontra rapidamente outra lacuna para voltar a enchê-lo, e a energia proporcionada pelo fotão, por tanto, dissipa-se em forma de calor. O princípio de uma célula fotovoltaica é obrigar aos elétrons e as lacunas a avançar para o lado oposto do material em lugar de simplesmente recombinar-se nele: assim, produzir-se-á uma diferença de potencial e portanto tensão entre as duas partes do material, como ocorre numa pilha.
Para isso, cria-se um campo elétrico permanente, através de uma união pn, entre duas capas dopadas respectivamente, p e n. Nas células de silício, que são maioritariamente utilizadas, se encontram por tanto: A capa superior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo n.Uma pequena proporção de átomos de silício se substituem por um elemento de valência superior na tabela periódica, quer dizer, que têm mais elétrons na sua capa de valência que o silício. Nesta capa, há um número de elétrons livres maior que numa capa de silício puro, daí o nome do dopagem n, negativo. O material permanece eletricamente neutro, já que tanto os átomos de silício como os do material dopante são neutros: mas a rede cristalina tem globalmente uma maior presença de elétrons que numa rede de silício puro.
A capa inferior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo p.Por um elemento de valência menor que a de silício. Esta capa tem portanto uma quantidade média de elétrons livres menor que uma capa de silício puro. Os elétrons estão unidos à rede cristalina que, em consequência, é eletricamente neutra mas apresenta lacunas, positivas (p). A condução elétrica está assegurada por estes portadores de carga, que se deslocam por todo o material. No momento da criação da união pn, os elétrons livres de capa n entram instantaneamente na capa p e se recombinam com as lacunas na região p. Existirá assim durante toda a vida da união, uma carga positiva na região n ao longo da união (porque faltam elétrons) e uma carga negativa na região em p ao longo da união (porque as lacunas têm desaparecido); o conjunto forma a «Zona de Carga de Espacial» (ZCE) e existe um campo elétrico entre as duas, de n para p. Este campo elétrico faz da ZCE um diodo, que só permite o fluxo de corrente numa direção: os elétrons podem mover da região p à n, mas não na direção oposta e pelo contrário as lacunas não passam mais que de n para p.
Em funcionamento, quando um fotão arranca um elétron à matriz, criando um elétron livre e uma lacuna, sobre o efeito deste campo elétrico a cada um vai em direcção oposta: os elétrons acumulam-se na região n (para converter-se em polo negativo), enquanto as lacunas acumulam-se na região dopada p (que se converte no polo positivo). Este fenómeno é mais eficaz na zona de carga espacial, onde quase não há portadores de carga (elétrons ou lacunas), já que são anulados, ou na redondeza imediata à ZCE: quando um fotão cria um pare elétron-lacuna, separaram-se e é improvável que encontrem a seu oposto, mas se a criação tem lugar num lugar mais afastado da união, o elétron (convertido em lacuna) mantém uma grande oportunidade para recombinar-se antes de chegar à zona n. Mas a ZCE é necessariamente muito fina, de modo que não é útil dar uma grande espessura à célula.Sem dúvida, se lhe pode dar uma forma ondulada, para aumentar a superfície activa. Efectivamente, a espessura da capa n é muito pequena, já que esta capa só se precisa basicamente para criar a ZCE que faz funcionar a célula. Em mudança, a espessura de capa p é maior: depende de um compromisso entre a necessidade de minimizar as recombinações elétron-lacuna, e pelo contrário permitir a captação do maior número de fotões possível, para o que se requer verdadeira mínima espessura.
Em resumo, uma célula fotovoltaica é o equivalente de um gerador de energia à que se acrescentou um diodo. Para conseguir uma célula solar prática, também é preciso acrescentar contactos elétricos (que permitam extrair a energia gerada), uma capa que proteja a célula mas deixe passar a luz, uma capa antireflexo para garantir a correta absorção dos fotões, e outros elementos que aumentem a eficiência do mesmo.
Primeira célula solar moderna
O engenheiro estadounidense Russell Ohl patenteou a célula solar moderna no ano 1946, ainda que outros pesquisadores tenham avançado o seu desenvolvimento anteriormente: o físico sueco Sven Ason Berglund tinha patenteado em 1914 um método que tratava de incrementar a capacidade das células foto-sensíveis, enquanto em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange tinha desenvolvido uma foto-célula usando selênio de prata em lugar de óxido de cobre(I)."Light sensitive device" Data de publicação: Junho de 1946
A era moderna da tecnologia solar não chegou até ao ano de 1954, quando os pesquisadores estadounidenses Gerald Pearson, Calvin S. Fuller e Daryl Chapin, dos Laboratórios Bell, descobriram de maneira acidental que os semicondutores de silício dopado com certas impurezas eram muito sensíveis à luz. Estes avanços contribuíram para a fabricação da primeira célula solar comercial. Empregaram uma união difusa de silício p–n, com uma conversão da energia solar de aproximadamente 6 %, com potência de 5 mWp e área de 2cm², um aumento comparado com as células de selênio que dificilmente atingiam os 0,5 %.
Posteriormente o estadounidense Les Hoffman, presidente da companhia Hoffman Electronics, através da sua divisão de semicondutores foi um dos pioneiros na fabricação e produção a grande escala de células solares. Entre 1954 e 1960, Hoffman conseguiu melhorar a eficiência das células fotovoltaicas até aos 14 %, reduzindo os custos de fabricação para conseguir um produto que pudesse ser comercializado. right|thumb|236x236px|A Estação Espacial Internacional, que obtém sua energia através de painéis fotovoltaicos, fotografada contra a negrura do espaço e a fina linha da atmosfera da Terra. right|thumb|235x235px|Detalhe dos painéis solares fotovoltaicos da Estação Espacial Internacional.
Primeiros aplicativos: energia solar espacial
As naves espaciais operando no interior do Sistema Solar normalmente dependem do uso de painéis solares fotovoltaicos para converter a eletricidade da irradiação. Na parte exterior do sistema solar, onde a luz solar e demasiado fraca para produzir potência suficiente, e usado um gerador termoelétrico de radioisótopos (RTGs) para dar energia à fonte da nave.
A primeira nave espacial que usou painéis solares foi o satélite norte-americano Vanguard 1, lançado em março de 1958 (hoje em dia o satélite mais antigo ainda em órbita). No desenho deste usaram-se células solares criadas por Les Peter num esforço liderado pela empresa Hoffman Electronics. O sistema fotovoltaico permitiu-lhe seguir transmitindo durante sete anos enquanto as baterias químicas esgotaram-se em apenas 20 dias. Isso foi em grande parte por causa da influência do Dr. Hans Ziegler, que pode ser considerado o pai da energia solar nas naves espaciais. Seguiram-se em 1959 o Explorer 6 e depois em 1962 o Telstar, que foi o primeiro satélite de comunicações equipado com células solares, capazes de proporcionar uma potência de 14 Wp.