Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι συσκευές που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια απευθείας από το ηλιακό φως. Πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία μαζί σχηματίζουν μια ηλιακή συστοιχία ή ηλιακό πάνελ. Αυτά τα κύτταρα μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια αξιοποιώντας την ενέργεια που δημιουργείται όταν τα φωτόνια από το ηλιακό φως χτυπούν τα ηλεκτρόνια σε μια υψηλότερη κατάσταση ενέργειας, μέσα στο ίδιο το κύτταρο. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από πολυεπίπεδα υλικά που περιλαμβάνουν δύο τύπους πυριτίου, μια αντιανακλαστική επίστρωση και ένα γυάλινο κάλυμμα. Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλιακών συλλεκτών συνεχίζει να εξελίσσεται και μπορεί μια μέρα να παρέχει ουσιαστικά δωρεάν ενέργεια για την τροφοδοσία κατοικιών και επιχειρήσεων.
Ένα από τα πιο σημαντικά μέρη ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι το υλικό που χρησιμοποιείται ως ημιαγωγός. Το πυρίτιο είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος ημιαγωγός, αλλά άλλες επιλογές είναι διαθέσιμες για ορισμένες εφαρμογές, οι οποίες μπορεί να είναι λιγότερο ακριβές από το πυρίτιο. Όταν το φως χτυπά τον ημιαγωγό, ένα μέρος της φωτεινής ενέργειας απορροφάται, προκαλώντας την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Το ηλεκτρικό ρεύμα που προκύπτει είναι αυτό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρική ενέργεια και συλλέγεται από τα μεταλλικά πλέγματα επαφής στο πάνω και στο κάτω μέρος των ηλιακών κυψελών.
Το πυρίτιο από μόνο του δεν είναι πολύ καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Προκειμένου να χρησιμοποιηθεί σε ηλιακή κυψέλη, το πυρίτιο πρέπει να τροποποιηθεί ή να «εμποτιστεί» με άλλα στοιχεία. Ο φώσφορος και το βόριο είναι τα στοιχεία επιλογής για το σκοπό αυτό. Ένα στρώμα πυριτίου εμποτισμένο με φώσφορο μπορεί να εκμεταλλευτεί το γεγονός ότι το τελευταίο στοιχείο έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό του κέλυφος ηλεκτρονίων. Αυτό είναι το ηλεκτρόνιο που μπορεί να εκραγεί από την φωτεινή ενέργεια.
Στην άλλη στιβάδα, τα άτομα βορίου έχουν μόνο τρία ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τους περίβλημα, αντί για τέσσερα, που έχει το πυρίτιο. Αυτό δημιουργεί ένα σημείο για να πάνε τα επιπλέον ηλεκτρόνια, και αυτή η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι που κάνει το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα δύο στρώματα πυριτίου έχουν επίσης αντίθετα φορτία, που είναι αυτό που παρέχει την τάση.
Οι κρύσταλλοι πυριτίου είναι ένα φυσικά ανακλαστικό υλικό. Όταν χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά στοιχεία, πρέπει να έχουν αντιανακλαστική επίστρωση, διαφορετικά το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στο πάνελ θα ανακλάται χωρίς να παράγει ηλεκτρισμό. Η αντιανακλαστική επίστρωση είναι ο μόνος μεγαλύτερος παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση ενός σωστά κατασκευασμένου ηλιακού πάνελ. Ωστόσο, ακόμη και με αυτήν την επίστρωση, μόνο μια σχετικά μικρή ποσότητα φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Καθώς η τεχνολογία προχωρά, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πιθανότατα θα αυξήσουν την απόδοση, καθιστώντας τα πιο πρακτικά για καθημερινή οικιακή και βιομηχανική χρήση.