Το φωτοβολταϊκό στοιχείο, είναι η ελάχιστη δομική μονάδα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της φωτεινής ακτινοβολίας. Ανάλογα με το υλικό από το οποίο έχουν κατασκευαστεί, υπάγονται στις κατηγορίες: μονοκρυσταλλικού πυριτίου «mono», πολυκρυσταλλικού πυριτίου «poly», λεπτών υμενίων «ribbon» και άμορφου πυριτίου «a-Si».

Μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία:

Τα μονοκρυσταλλικά στοιχεία έχουν συνήθως κυκλικό σχήμα, ενώ συχνά, με σκοπό να επιτυγχάνεται πιο πυκνή τοποθέτηση τους εντός ενός, δεδομένης επιφάνειας, φέροντος πλαισίου, αποκόπτονται οι απολήξεις των τεσσάρων αντιδιαμετρικών χορδών των τόξων.

Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών υμενίων:

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών υμενίων δημιουργούνται με την τοποθέτηση τουλάχιστον δύο λεπτών ημιαγώγιμων υμενίων, πάνω σε κατάλληλο υπόστρωμα, το οποίο συνήθως, είναι είτε γυάλινη επιφάνεια, είτε μεταλλική, είτε κρύσταλλος διαφορετικού ημιαγωγού. Τα ημιαγώγιμα υμένια, δηλαδή ένας ημιαγωγός τύπου n και ένας ημιαγωγός τύπου p, τοποθετούνται στην επιφάνεια του στοιχείου στην οποία προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία στην οποία δημιουργείται το ηλεκτροστατικό φράγμα δυναμικού που, όπως προαναφέρθηκε, είναι αναγκαίο για τη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου.

Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (a-Si):

Προσφέρει ένα συγκριτικό πλεονέκτημα σε σχέση με όλους τους υπόλοιπους τύπους φωτοβολταϊκών στοιχείων. Για παράδειγμα η μείωση της παρεχόμενης μέγιστης ισχύος Pmax ανά οC αύξησης της θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου άμορφου πυριτίου είναι μόλις -0,2%, ενώ ο αντίστοιχος συντελεστής για τα υπόλοιπα φωτοβολταϊκά στοιχεία (mono, poly, ribbon) κυμαίνεται από -0,4% έως -0,5%.

Πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία:

Οι κρύσταλλοι του πολυκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονται ως επί το πλείστων με πρώτη ύλη από επαναχρησιμοποιημένο πυρίτιο ηλεκτρονικής καθαρότητας. Συναντώνται δύο τεχνικές (Μονοκρύσταλλοι και μικροκρύσταλλοι πυριτίου) με βάση τις οποίες γίνεται η κατασκευή τετραγωνικών δίσκων πολυκρυσταλλικού πυριτίου.

Συνοπτική Σύγκριση

• Τα στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου παρουσιάζουν βαθμό απόδοσης της τάξης του 15% - 18% αλλά παρουσιάζουν υψηλότερο κόστος καθώς και λιγότερο πυκνή στοίβαση ανά φωτοβολταϊκό πλαίσιο.
• Τα στοιχεία πολλυκρυσταλικού πυριτίου παρουσιάζουν μικρότερο βαθμό απόδοσης, της τάξης του 13%-15% αλλά χαμηλότερο κόστος.
• Τα στοιχεία άμορφου πυριτίου (a-Si) έχουν χαμηλότερη πτώση απόδοσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες αλλά πολύ χαμηλότερο βαθμό απόδοσης, της τάξης του 6%-7%.
• Τα στοιχεία λεπτών υμενίων, παρουσιάζουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης, αλλά λόγω της ενδεχόμενης ύπαρξης τοξικών στοιχείων δεν επιτρέπονται από εθνικά κέντρα ελέγχου ποιότητας αρκετών χωρών σε οικιακές εγκαταστάσεις.

Κάθε φωτοβολταϊκό στοιχείο, όταν δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, παρέχει στην έξοδό του συνεχή τάση ίση προς 0,5 V. Η μέγιστη ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που μπορεί να παραχθεί κάθε τέτοιο στοιχείο εξαρτάται από την επιφάνειά του και εκτιμάται με βάση, κυρίως, την τιμή της πυκνότητας ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Μια τυπική τιμή του ρεύματος μεγίστης ισχύος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου κυμαίνεται στα 4 έως 7 Α, ενώ η παρεχόμενη μέγιστη ισχύς ανέρχεται περίπου στα 3 W.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους για το σχηματισμό πλαισίων (modules). Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ουσιαστικά αποτελεί, μια ενιαία στοιχειοσειρά τοποθετημένη επάνω σε κοινό φέρον υπόστρωμα. Συνεπώς, περιλαμβάνει πολλά, όμοια φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά προκειμένου να επιτυγχάνεται αύξηση της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος.

Τα ενσωματωμένα σε κτίρια Φ/Β πλαίσια µπορούν να αποτελούν ταυτόχρονα ενεργά στοιχεία µε την ηλεκτροπαραγωγή αλλά και παθητικά στοιχεία που συντελούν στη µείωση της ενεργειακής κατανάλωσης του κτιρίου. Το παραπάνω πραγματοποιείται κυρίως από Φ/Β πλαίσια τα οποία επιτρέπουν την διέλευση φωτός, προκαλούν σκίαση ή ενισχύουν τον αερισµό των εσωτερικών χώρων. Ακόµα, υπάρχουν υβριδικά Φ/Β - θερµικά συστήµατα, τα  οποία αξιοποιούν την θερµοκρασία που αναπτύσσεται στα Φ/Β πλαίσια για την θέρµανση αέρα ή νερού βελτιώνοντας ταυτόχρονα τον στιγµιαίο συντελεστή απόδοσης του πλαισίου. Η διττή λειτουργικότητα επιτυγχάνεται εν µέρει και µε συµβατικά Φ/Β πλαίσια µε την σωστή αξιοποίησή τους. Όµως, υπάρχουν ειδικά πολυχρηστικά Φ/Β πλαίσια τα οποία είναι κατασκευασµένα για ορισµένα τρόπο χρήσης, ώστε να µπορούν να ανταπεξέλθουν στις µηχανολογικές και πρακτικές απαιτήσεις ενός κτιρίου πληρώντας πάντα τις οδηγίες περί κατασκευής κτιρίων.

Η ενσωµάτωση Φ/Β συστηµάτων σε κτίρια διακρίνεται για επιπρόσθετα πλεονεκτήματα εκτός των γενικών πλεονεκτηµάτων των Φ/Β συστημάτων, όπως:

• Άµεση παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας στον τόπο της ζήτησης με αποτέλεσµα την ελαχιστοποίηση των ηλεκτρικών απωλειών µεταφοράς.
• Αντικατάσταση συµβατικών οικοδοµικών υλικών. Τα Φ/Β πλαίσια µπορούν να αντικαταστήσουν συµβατικά οικοδοµικά υλικά µε επιπρόσθετο όφελος την µείωση του κόστους ενσωµάτωσης τους
• Ενσωµάτωση σε υπάρχουσες επιφάνειες του κτιρίου χωρίς την απαίτηση επιπλέον γης. Οπότε η εφαρµογή τους µπορεί να γίνει και σε πυκνοκατοικηµένες περιοχές.
• Ικανότητα να καλυφθεί, αν όχι ολόκληρο, µεγάλο µέρος της ηλεκτρικής κατανάλωσης.
• Έλεγχος και η συντήρηση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης που είναι εφικτό να ενσωµατωθεί µε τον έλεγχο και την συντήρηση του υπολοίπου ηλεκτρολογικού εξοπλισµού.
• Σε συνδυασμό µε τον βιοκλιµατικό σχεδιασμό κυρίως στην ανέγερση νέου κτιρίου µπορεί να συµβάλλει στην περαιτέρω µείωση της απαιτούµενης ηλεκτρικής ισχύος.
• Συμβολή στην βελτίωση της αισθητικής του κτιρίου µε καινοτόµο τρόπο.

Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει σημαντική αύξηση ενδιαφέροντος για τα ηλιακά κύτταρα που βασίζονται σε οργανικά υλικά. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην ταχεία ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής αγοράς, η οποία έχει υποκινήσει την έρευνα στις πιο μακροπρόθεσμες, πιο καινοτόμες φωτοβολταϊκές τεχνολογίες, και εν μέρει στην ανάπτυξη των οργανικών ηλεκτρονικών υλικών για τις εφαρμογές επίδειξης. Η γρήγορη πρόοδος στα οπτικοηλεκτρονικά μοριακά υλικά έχει εισάγει μια σειρά πιθανών νέων φωτοβολταϊκών υλικών, καθώς επίσης και μια βελτιωμένη κατανόηση των ικανοτήτων τέτοιων υλικών και της εμπιστοσύνης στην εφαρμογή και στη χρήση τους. Οι οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις (OPVs) είναι ημιαγωγικές διατάξεις οι οποίες αποτελούνται από ένα ή περισσότερα πολυμερικά στρώματα-ταινίες (polymeric films). 

Ωστόσο έχουν ένα μειονέκτημα: χαμηλή μετατροπή της ενέργειας. Η τεχνολογία αγωνίζεται σήμερα για να προσφέρει απόδοση πάνω από 5%, σε σύγκριση με το 20% που επιτεύχθηκε από συμβατικά φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου, ή με το 10% από thin film. Το ερώτημα, ως εκ τούτου, είναι αν η υπόσχεση για χαμηλό κόστος (αν πράγματι επιτευχθεί) μπορεί επαρκώς να αντισταθμίσει τη μείωση (αν και βελτιώνεται) αποδόσεων, ώστε να μπορέσουν τα OPV να γίνουν εμπορικά βιώσιμα. Παρ 'όλη την έρευνα που έχει γίνει για τα OPVs εξακολουθούν να υπάρχουν εμπόδια που αποτρέπουν τη χρήση τους εκτός εργαστηρίου. Το πρώτο είναι η ευαισθησία στο οξυγόνο. Πολλά από τα κύτταρα που παράγονται σε εργαστήρια σήμερα  κατασκευάζονται και δοκιμάζονται χωρίς ποτέ να έχουν εκτεθεί στον αέρα (και τη φυσική υγρασία που περιέχει). Παρόλο που υπάρχουν τεχνικές ενθυλάκωσης, θα πρέπει να προστεθούν στο κόστος παραγωγής. Ακόμη και αν τα κύτταρα δεν καταστρέφονται από την έκθεση στον αέρα, πολλά από αυτά θα έχουν μικρή διάρκεια ζωής, επειδή υποβαθμίζονται γρήγορα με την έκθεση στο φως.

Ένα άλλο θέμα είναι το μέγεθος των κυττάρων που κατασκευάζονται. Επί του παρόντος, τα περισσότερα κύτταρα κατασκευάζονται για περιοχές της τάξεως του 1 mm² . Για να είναι όμως αξιοποιήσιμα, θα πρέπει να κατασκευάζονται για περιοχές της τάξης των 10 ή 100 cm² και αυτά τα κύτταρα θα πρέπει να είναι σε θέση να συναρμολογηθούν σε μεγαλύτερα πάνελ για περιοχές της τάξεως m² .

Η εγκατεστημένη ισχύς των πλωτών Φ/Β (Floating PV - FPV) παγκοσμίως έχει ξεπεράσει τα 3 GWp το 2021, σύμφωνα με στοιχεία του Ινστιτούτου Έρευνας Ηλιακής Ενέργειας της Σιγκαπούρης (SERIS) στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης (NUS).

Εκτός από ορισμένες εγκαταστάσεις στην Ευρώπη, ιδίως στις Κάτω Χώρες, τη Γαλλία και το Ηνωμένο Βασίλειο, η πλωτή ηλιακή ενέργεια βρίσκεται μέχρι στιγμής κυρίως στην Ασία, με περισσότερο από το 85% να έχει αναπτυχθεί στην Ανατολική και Νοτιοανατολική Ασία. Στις πυκνοκατοικημένες περιοχές η εγγύτητα των υδάτινων φορέων στα κέντρα εκφόρτωσης αποτελεί συχνά πλεονέκτημα. Τα παραδοσιακά χερσαία ηλιακά συστήματα αντιμετωπίζουν είτε ανταγωνιστικές χρήσεις με βιομηχανικές ή γεωργικές δραστηριότητες είτε μπορεί να μην είναι οικονομικά βιώσιμα λόγω του υψηλού κόστους της γης. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η Ιαπωνία ήταν από τους πρώτους που υιοθέτησαν τα πλωτά φωτοβολταϊκά και εξακολουθεί να έχει τον μεγαλύτερο αριθμό έργων FPV (~200). Τα πλωτά φωτοβολταϊκά είναι δυνατά ακόμη και σε κράτη-πόλεις όπως η Σιγκαπούρη, η οποία εγκαινίασε μια μονάδα FPV ισχύος 60 MWp τον Ιούνιο του 2021 και έχει ζητήσει τη διεξαγωγή μελέτης για άλλα 140 MWp. Η υψηλότερη εγκατεστημένη ισχύς FPV μέχρι σήμερα αναπτύσσεται στην Κίνα (συνολικά 1,3 GWp), όπου οι προγραμματιστές εκμεταλλεύτηκαν σε μεγάλο βαθμό τους υδάτινους φορείς που δημιουργήθηκαν όταν πρώην ανθρακωρυχεία, που γέμισαν με υπόγεια ύδατα. Αυτές οι λεγόμενες περιοχές καθίζησης είναι σχεδόν ιδανικές καθώς θεωρούνται ασταθή εδάφη (άρα ακατάλληλα για βιομηχανικές ή γεωργικές δραστηριότητες) και συχνά έχουν μικρή βιοδραστηριότητα (που οδηγεί σε ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις).

Μια άλλη μεγάλη ευκαιρία για την πλωτή ηλιακή ενέργεια είναι ο συνδυασμός με υφιστάμενα υδροηλεκτρικά φράγματα. Αυτό ισχύει ακόμη περισσότερο όταν η παραγωγή ηλιακής και υδροηλεκτρικής ενέργειας λειτουργεί από κοινού (αντί για την καθαρή τοποθέτηση του σταθμού FPV στον ταμιευτήρα). Εκτός από τον ημερήσιο κύκλο (δηλ. παραγωγή ηλιακής ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας και εξοικονόμηση νερού για την παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας τη νύχτα), υπάρχει επίσης πιθανό εποχιακό όφελος σε περιοχές με ξηρές και υγρές εποχές. Ανάλογα με τις τουρμπίνες και τους χρόνους αντίδρασής τους, είναι επίσης δυνατό να επισκιαστεί μέρος της βραχυπρόθεσμες διακυμάνσεις από την ηλιακή ενέργεια (λόγω των κινήσεων του νερού) και, ως εκ τούτου, να χρησιμοποιηθούν οι ταμιευτήρες ως "γιγαντιαία μπαταρία". Πολλά από τα ανακοινωθέντα πλωτά ηλιακά έργα βρίσκονται σε υδροηλεκτρικούς ταμιευτήρες, για παράδειγμα στην Ταϊλάνδη (3,5 GWp), την Κορέα (2,1 GWp) και το Λάος (1,2 GWp).