Der photovoltaische Effekt ist der Vorgang, bei dem elektrischer Strom in Form von Spannung erzeugt wird, wenn elektromagnetische Strahlung einem bestimmten Material ausgesetzt wird. Bei Solarzellen tritt der photovoltaische Effekt auf, wenn sehr kurze Wellenlängen des Sonnenlichts auf die Materie treffen und Elektronen angeregt werden. Die elektromagnetische Strahlung wird vom Solarpanel emittiert und von einem anderen Material gesammelt. Dieser Ausstoß von Elektronen führt zum Aufbau einer Spannung, die Energie erzeugt, die in einer Batteriezelle zur späteren Verwendung gespeichert werden kann. Über zwei Elektroden wird die Spannung gesammelt, die in das Stromnetz übertragen werden kann.
Unterschiedliche Arten elektromagnetischer Strahlung verursachen frequenzbedingt unterschiedliche Belastungen in Solarzellen. Sichtbares Licht erzeugt den photovoltaischen Effekt, wenn es auf Alkalimetalle trifft, ultraviolettes Licht erzeugt es in anderen Metallen, wobei extremes ultraviolettes Licht für Nichtmetalle verwendet wird. Dieses Konzept wurde erstmals 1902 von Philipp Eduard Anton von Lenard beobachtet, als er entdeckte, dass unterschiedliche Lichtfarben, auch Frequenz genannt, unterschiedliche Elektronenmengen emittieren. Zuvor stellte die Wellentheorie des Lichts von James Clerk Maxwell fest, dass die Strahlungsintensität proportionale Elektronenenergie erzeugen würde. Diese neue Theorie erklärte, dass Photonen für die Erzeugung des Elektronenausstoßes verantwortlich waren und eher als einzelne Teilchen als als konstante Wellen arbeiteten.
Der Physiker AE Becquerel erkannte 1839 das Konzept des photovoltaischen Effekts des Sonnenlichts, aber sein Verständnis war begrenzt. 1883 konstruierte Charles Fritts die erste Solarzelle mit einem Selen-Halbleiter, der mit einer dünnen Goldschicht überzogen war. Dieser erste Einsatz einer Solarzelle war nur ein Prozent effizient. Erst 1954 entwickelten die Bell Laboratories eine praktische Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen.
Die Nutzung des photovoltaischen Effekts mit Solarzellen ist sehr einfach. Im Wesentlichen treffen Photonen des Sonnenlichts auf das Solarpanel und werden vom Material absorbiert. Die negativ geladenen Elektronen innerhalb des Materials werden von den Atomen weggeschlagen, wodurch dann Strom erzeugt wird. Diese Situation wird dadurch kontrolliert, dass sich die Elektronen im Panel nur in eine Richtung bewegen können, was zu einer umgekehrten Aktion führt, bei der positiv geladene Teilchen in die entgegengesetzte Richtung fließen. Wenn diese beiden Aktionen auftreten, kann ein elektrischer Gleichstrom aus der elektromagnetischen Reaktion genutzt werden.
Der photovoltaische Effekt ist für eine Reihe von Prozessen im modernen Leben essenziell. Neben der Energieerzeugung für allgemeine Zwecke sind Solarzellen unverzichtbar für Raumfahrzeuge, die von der NASA und anderen Weltraumbehörden eingesetzt werden. Die Prinzipien der Technologie werden auch in Digitalkameras in Form von ladungsgekoppelten Geräten sowie Elektroskopen genutzt, die statische Elektrizität erkennen.