Hay tres generaciones básicas de células solares, aunque una de ellas aún no existe y la investigación está en curso. Se designan como primero, segundo y tercero, y difieren según su costo y eficiencia.
La primera generación es de alto costo y alta eficiencia. Estas células solares se fabrican de manera similar a las computadoras, con silicio extremadamente puro, utilizan una sola unión para extraer energía de los fotones y son muy eficientes, acercándose a su eficiencia teórica máxima del 33%. En 2007, los productos de primera generación representaron el 89.6% de la producción comercial, aunque la participación de mercado ha disminuido desde entonces. Los procesos de fabricación que se utilizan para producirlos son intrínsecamente costosos, lo que significa que estas celdas pueden tardar años en pagar sus costos de compra. No se cree que las células de primera generación puedan proporcionar energía de forma más rentable que las fuentes de combustibles fósiles.
La segunda generación, que se ha desarrollado intensamente durante la década de 1990 y principios de la de 2000, son celdas de bajo costo y baja eficiencia. Por lo general, se trata de células solares de película delgada, diseños que utilizan materiales mínimos y procesos de fabricación baratos. Los materiales más populares utilizados para este tipo son seleniuro de cobre, indio, galio, telururo de cadmio (CdTe), silicio amorfo y silicio micromorfo.
Un ejemplo estándar de celdas de segunda generación serían las fabricadas por Nanosolar, que utiliza una máquina especial para imprimir las celdas a una velocidad extremadamente rápida. Aunque estas celdas tienen solo un 10-15% de eficiencia de conversión, la disminución del costo compensa con creces este déficit. Las células de segunda generación tienen el potencial de ser más rentables que los combustibles fósiles.
Las células solares de tercera generación son solo un objetivo de investigación y todavía no existen. El objetivo de la investigación en energía solar es producir células de alta eficiencia y bajo costo. Es probable que se trate de células de película delgada que utilizan enfoques novedosos para obtener eficiencias en el rango del 30-60%. Algunos analistas predicen que las células de tercera generación podrían comenzar a comercializarse alrededor de 2020, pero esto es solo una suposición. Las tecnologías asociadas con los productos de tercera generación incluyen celdas fotovoltaicas multifuncionales, celdas en tándem, celdas nanoestructuradas para captar mejor la luz incidente y utilizar el exceso de generación térmica para mejorar los voltajes o la captación de portadores.