Eine Solarzelle wandelt Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie um. Dies erfolgt aufgrund des sogenannten photoelektrischen Effekts oder auch inneren elektrischen Effekts. Der photoelektrische Effekt, kurz Photoeffekt, wurde von Alexander Bequerel im Jahre 1839 entdeckt und von Philipp Lenard im Jahr 1900 näher untersucht. Im Jahre 1905 verwendete Albert Einstein Max Plancks Idee der Energiequantisierung zur Erklärung des Photoeffekts. Dafür - und nicht für die Entwicklung der Relativitätstheorie - erhielt Albert Einstein im Jahr 1921 den Nobelpreis. Für eine technische Anwendung des Effektes war in jenen Jahren nocht nicht zu denken.
Die ersten Solarzellen wurde erst ein halbes Jahrhundert später von den Bell Laboratorien 1954 in den USA entwickelt. Sie sollten die Energieversorgung für Satelliten im Weltraum sicherstellen. Heute ist die Energieversorgung von Satelliten und Raumstationen mit Photovoltaikmodulen Standard.
Es gibt verschieden Materialien, aus denen Solarzellen hergestellt werden können. Hierzu gehören spezielle polymere Verbindungen, organische Farbstoffe, Elektrolyt- Halbleiter- Kontakte und Halbleiter. Solarzellen werden heute fast ausschließlich aus Halbleitern hergestellt, da die physikalischen Vorgänge bei der Verwendung der anderen Materialien noch nicht ausreichend erforscht sind und die Wirkungsgrade meist weit unter 10% liegen.
Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen (regelmäßigen) Aufbau. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist kleiner als die von Metallen, aber größer als die von Isolatoren (Nichtleitern). Die Anzahl der freien Elektronen eines Stoffes bestimmt seine Leitfähigkeit. Die freien Elektronen stammen aus der äußersten Elektronenschale eines Atoms, sie heißen Valenz- oder Bindungselektronen, weil sie eine Bindung zu einem Nachbaratom herstellen können. Als Halbleiterwerkstoffe werden chemische Elemente (z.B. Silizium, Germanium, Selen) und besondere chemische Verbindungen (z.B. Galliumarsenid, Cadmuimsulfid) verwendet.

Die Atome des Siliziums und Galliums haben jeweils vier Bindungselektronen. Bei absoluten Temperaturnullpunkt sind die Atome über die Bindungselektronen fest miteinander verbunden. Daher fehlen die freien Elektronen für den Stromtransport - der Halbleiter wirkt dann wie ein Nichtleiter.

Eigenleitung
Durch Energiezufuhr (z.B. Wärme oder Licht) geraten die Atome eines Halbleiterkristalls in Schwingungen. Wenn auf diese Weise mehr Schwingungsenergie in das Gitter gesteckt wird, als Energie für die Bindung der Elektronen am Mutteratom vorhanden ist, so werden im Kristallgitter einzelne Elektronenpaarbindungen aufgerissen. Die Valenzelektronen dieser zerstörten Bindungen entfernen sich von ihren Atomen und werden zu freien Elektronen, die ziellos durch das Kristallgitter wandern. Ein freies Elektron (negativ) hinterläßt ein Loch oder Defektelektron (positive Ladung). Dieser Vorgang heißt Paarbildung.

Setzt sich ein freie Elektron an die Stelle eines Defektelektrons, so wird diese Stelle wieder elektrisch neutral, die Bindung zum Nachbaratom ist wieder hergestellt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Rekombination.

Wird an einem reinem Halbleiterkristall eine Spannung angelegt, so fließt ein Strom, der von der elektrischen Leitfähigkeit abhängt. Die Leitfähigkeit im Halbleiterkristall hängt wiederum von der Temperatur des Kristalls ab. Halbleiter besitzen einen negativen Temperaturkoeffizienten, sie sind somit Heißleiter (NTC).

Als Eigenleitung wird die elektrische Leitfähigkeit eines reinen Halbleiterkristalls bezeichnet. Sie ist beim absoluten Nullpunkt Null und wird bei zunehmender Energiezufuhr (Wärme, Beleuchtung) immer höher.

Elektronen- und Löcherleitung
Liegt an einem Halbleiterkristall eine Spannung, so bewegen sich die freien Elektronen als negative Ladungsträger zum Pluspol der Spannungsquelle. Freigeworden Elektronen hinterlassen "Löcher", die bestrebt sind, neue Elektronen aufzunehmen. Die entstandenen Löcher rücken bei diesen Vorgang in umgekehrter Richtung wie die Elektronen, also vom Pluspol zum Minuspol vor. Die Löcher oder Defektelektronen verhalten sich also wie positive Ladungen.
Die Leitfähigkeit von reinem Halbleiterwerkstoff ist sehr gering. In der Regel besitzen Halbleiter vier Bindungselektronen wie Silizium und Germanium. Um die Zahl der beweglichen Ladungsträger im Kristall zu erhöhen, werden Fremdatome mit fünf. bzw. drei Bindungselektronen in das Kristallgitter eingefügt bzw. dotiert. Es entstehen Störstellen. Der Regelmäßige aufbau des Kristallgitter wird gestört, es entstehen Störstellen.

Stoffe mit fünf Bindungselektronen (Donatoren = Spender) sind z.B. Phospor (P), Arsen (As) und Antimon(Sb). Durch die negative Dotierung wir der Halbleiterkristall N- Leitend, d.h. er verfügt über einen Elektronenüberschuss. Stoffe mit drei Valenzelektronen (Akzeptoren = Empfänger) sind z.B. Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In). Bei der positiven Dotierung erhählt der Halbleiterkristall Elektronenmagel, d.h. er wird P- leitend.

Da durch die Diffusion in der Grenzschicht vom N- Leiter Elektronen ab- und Löcher zuwandern, ist der N- Leiter nicht mehr elektrisch neutral, sondern besitzt eine positive Ladung. Genauso erhält der P- Leiter eine negative Ladung. Die Ladungen innerhalb der Grenzschicht verursachen die Diffusionsspannung. Die Diffusionsspannungen betragen bei Germanium (Ge) ca. 0,3 Volt und bei Silizium (Si) ca. 0,7 Volt.

Solarzellen werden heute fast ausschließlich aus Halbleitern hergestellt, da die physikalischen Vorgänge bei der Verwendung der anderen Materialien noch nicht ausreichend erforscht sind und die Wirkungsgrade meist weit unter 10% liegen.