Photovoltaikzellen sind Geräte, die direkt aus Sonnenlicht Strom erzeugen. Viele Photovoltaikzellen bilden zusammen eine Solaranlage oder ein Solarpanel. Diese Zellen wandeln Licht in Elektrizität um, indem sie die Energie nutzen, die entsteht, wenn Photonen des Sonnenlichts Elektronen in einen höheren Energiezustand innerhalb der Zelle selbst bringen. Photovoltaikzellen bestehen aus geschichteten Materialien, die zwei Arten von Silizium, eine Antireflexbeschichtung und eine Glasabdeckung umfassen. Die Technologie zur Herstellung von Solarmodulen schreitet weiter voran und könnte eines Tages im Wesentlichen kostenlose Energie für Haushalte und Unternehmen liefern.
Einer der wichtigsten Bestandteile einer Photovoltaikzelle ist das Material, das als Halbleiter verwendet wird. Silizium ist der am häufigsten verwendete Halbleiter, aber für bestimmte Anwendungen stehen andere Optionen zur Verfügung, die kostengünstiger als Silizium sein können. Trifft Licht auf den Halbleiter, wird ein Teil der Lichtenergie absorbiert, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Der dabei entstehende elektrische Strom kann als Strom genutzt werden und wird von den metallischen Kontaktgittern auf der Ober- und Unterseite der Solarzellen gesammelt.
Silizium allein ist kein sehr guter Stromleiter. Um in einer Solarzelle verwendet zu werden, muss Silizium mit anderen Elementen modifiziert oder „dotiert“ werden. Phosphor und Bor sind hierfür die Elemente der Wahl. Eine mit Phosphor dotierte Siliziumschicht kann sich die Tatsache zunutze machen, dass letzteres Element nur ein Elektron in seiner äußersten Elektronenhülle hat. Dies ist das Elektron, das durch Lichtenergie abgeschlagen werden kann.
In der anderen Schicht haben die Boratome nur drei Elektronen in ihrer äußeren Hülle, statt vier wie bei Silizium. Dies schafft einen Punkt, an den die zusätzlichen Elektronen gelangen können, und diese Elektronenbewegung macht den elektrischen Strom aus. Die beiden Siliziumschichten haben auch entgegengesetzte Ladungen, was die Spannung liefert.
Siliziumkristalle sind ein natürlich reflektierendes Material. Wenn sie in Photovoltaikzellen verwendet werden, müssen sie mit einer Antireflexbeschichtung versehen werden, da sonst der größte Teil der Sonnenenergie, die auf das Panel gelangt, reflektiert wird, ohne Strom zu erzeugen. Die Antireflexbeschichtung ist der größte Einzelfaktor, der die Effizienz eines richtig konstruierten Solarmoduls beeinflusst. Doch auch mit dieser Beschichtung lässt sich nur ein relativ kleiner Teil des Lichts zur Stromerzeugung nutzen. Mit fortschreitender Technologie wird die Effizienz von Photovoltaikzellen wahrscheinlich zunehmen, was sie für den täglichen Gebrauch in Wohnhäusern und in der Industrie praktischer macht.