Ένα ηλιακό στοιχείο, επίσης γνωστό ως φωτοβολταϊκό στοιχείο, είναι το όνομα που δίνεται σε μια συσκευή δέσμευσης ενέργειας. Απορροφά το ηλιακό φως και το μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Αυτά τα κύτταρα έχουν εξελιχθεί δραματικά από τη δημιουργία τους και τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει ιδιαίτερα μεγάλα βήματα σε αυτή την τεχνολογία.
Πιο απλά, ένα ηλιακό κύτταρο λειτουργεί απορροφώντας το ηλιακό φως. Τα φωτόνια από το φως τρέχουν στο πάνελ και απορροφώνται από κάποιο είδος ημιαγώγιμου υλικού. Τα περισσότερα σύγχρονα είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο, αν και άλλες ουσίες πειραματίζονται ως ημιαγωγοί για να γίνουν πιο οικονομικά και φιλικές προς το περιβάλλον. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από το άτομο ξενιστή τους και κινούνται ελεύθερα ως ηλεκτρισμός. Από το ηλιακό κύτταρο, αυτό το ηλεκτρικό ρεύμα στη συνέχεια περνά μέσα από μια μεγαλύτερη συστοιχία, όπου μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό συνεχούς ρεύματος (DC), το οποίο μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).
Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 19ου αιώνα. Στη δεκαετία του 1880, η ιδέα χρησιμοποιήθηκε πρακτικά για τη δημιουργία του πρώτου ηλιακού κυττάρου, κατασκευασμένου με σελήνιο ως ημιαγωγό. Το πρώτο ήταν περίπου 1% αποδοτικό, που σημαίνει ότι κατάφερε να συλλάβει το 1% της συνολικής ηλιακής ενέργειας που έπληξε την κυψέλη.
Το 1954, η Bell Labs ανακάλυψε ότι το πυρίτιο θα μπορούσε να τροποποιηθεί ελαφρώς για να γίνει απίστευτα φωτοευαίσθητο. Αυτό οδήγησε στη σύγχρονη επανάσταση στα φωτοβολταϊκά κύτταρα, με τις πρώιμες κυψέλες πυριτίου να λειτουργούν με απόδοση περίπου 6%. Το 1958, ένας δορυφόρος, ο Vanguard 1, εκτοξεύτηκε μαζί τους ως πηγή ενέργειας. Αυτό επέτρεψε στον δορυφόρο να παραμείνει σε γεωσύγχρονη τροχιά επ’ αόριστον, αφού δεν βασιζόταν σε μια πεπερασμένη ποσότητα καυσίμου.
Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του 1970 και του 1980, η ηλιακή τεχνολογία συνέχισε να βελτιώνεται. Μέχρι το 1988, κατασκευάζονταν μαζικά προϊόντα που είχαν απόδοση 17%, και μέχρι το τέλος της δεκαετίας, αυτά που κατασκευάζονταν τόσο από αρσενίδιο του γαλλίου όσο και από πυρίτιο είχαν ξεπεράσει το 20% απόδοση. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, εμφανίστηκε επίσης ένας νέος τύπος τεχνολογίας, χρησιμοποιώντας φακούς για τη συγκέντρωση του ηλιακού φωτός σε ένα μόνο κύτταρο. Αυτή η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα επέτρεπε την απόδοση έως και 37% εκείνη τη στιγμή.
Υπάρχουν τρεις κύριες ταξινομήσεις ηλιακών κυψελών, που αναφέρονται ως «γενιές» λόγω της πρώτης εμφάνισης των τεχνολογιών. Ένα κύτταρο πρώτης γενιάς είναι αυτό που σκέφτονται οι περισσότεροι άνθρωποι όταν σκέφτονται αυτήν την τεχνολογία. Αντιπροσωπεύουν περίπου το 90% των ηλιακών κυψελών στον κόσμο και έχουν θεωρητική μέγιστη απόδοση περίπου 33%.
Ένα ηλιακό στοιχείο δεύτερης γενιάς έχει σχεδιαστεί για να είναι σημαντικά φθηνότερο και ευκολότερο στην παραγωγή. Χρησιμοποιώντας τεχνολογίες όπως η επιμετάλλωση και η εναπόθεση ατμού, οι δεύτερης γενιάς μπορούν να παραχθούν μαζικά σχετικά φθηνά. Συνήθως είναι απλώς μια λεπτή μεμβράνη κάποιου είδους υλικού, όπως το άμορφο πυρίτιο ή το τελλουρίδιο του καδμίου, που εφαρμόζεται σε ένα πολύ λεπτό φύλλο σε ένα υλικό όπως κεραμικό ή γυαλί.
Τα κύτταρα τρίτης γενιάς χρησιμοποιούν την τεχνολογία δεύτερης γενιάς και προσπαθούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοσή τους. Αυτές είναι οι τεχνολογίες αιχμής, η δοκιμή νέων μεθόδων συγκέντρωσης, η χρήση επιπλέον θερμότητας για την αύξηση της παραγόμενης τάσης και άλλες τεχνολογίες για την επίτευξη στόχων απόδοσης στην περιοχή από 30% έως 60%.