Die Funktion von Solarzellen beruht auf dem photoelektrischen Effekt: Trifft Energie in Form von Licht auf Materie, können Elektronen diese Energie aufnehmen.

Elektronen sind negativ geladene Teilchen; sie sind in jeder Materie reichlich vorhanden und bilden sozusagen den Kitt zwischen den Atomen – Chemiker sprechen von Bindungen. Im Falle des Siliciums sind die Silicium-Atome über ihre Elektronen fest im Kristallgitter miteinander verbunden (Abb. 1).

Auch auf der Oberfläche des Halbleiters Silicium werden durch Lichtstrahlen Elektronen losgelöst, sie werden Im Kristallgitter beweglicher. Damit fließt aber noch lange kein Strom. Allenfalls nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Silicium durch Bestrahlung zu.

Die vom Licht losgelösten Elektronen müssen sich in eine vorgegebene Richtung bewegen. Erst dann kann ein Strom fließen. Für diese Richtung sorgt ein elektrisches Feld mit Plus- und Minus-Pol. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich dann in Richtung des Plus-Pols.

Das dafür notwendige elektrische Feld erreicht man durch die Methode der unterschiedlichen Dotierung und Erzeugung einer Grenzfläche zwischen den Gebieten. (Die Funktion von Dioden und Transistoren und damit die moderne Computer- und Nachrichtentechnik beruht auf Dotierung.) 

Werden bei der Herstellung von dotiertem Silicium einzelne Silicium-Atome im Kristallgitter durch Phosphor-Atome ersetzt, spricht man von n-Dotierung. Phosphor-Atome haben ein Elektron mehr als Silicium-Atome. Im n-dotierten Silicium herrscht damit ein Elektronen-Überschuss (Abb. 2).

In p-dotiertem Silicium sind dagegen einzelne Silicium-Atome durch Bor-Atome ersetzt. Das Bor-Atom hat ein Elektron weniger als das Silicium-Atom. In einem mit Bor dotierten Silicium herrscht damit ein Elektronen-Unterschuss (Abb. 3). Physiker sprechen auch von "Löchern."

An der Grenzfläche einer n-dotierten Silicium-Schicht zu einer p-dotierten Schicht (pn-Grenzfläche) entsteht ein elektrisches Feld, weil die beweglichen Elektronen aus der n-Schicht (Elektronen-Überschuss) in die p-Schicht (Elektronen-Unterschuss = Löcher) wandern (blaue Pfeile, Abb. 4):

Die obere Schicht dieses Aufbaus (in der Regel die n-Schicht) ist transparent und kann damit von Lichtstrahlen (Photonen) getroffen werden. Die dadurch gelösten Elektronen wandern in Richtung des elektrischen Pluspols. Über elektrische Kontakte an der Ober- und Unterseite dieser Doppelschicht wird dann ein Stromkreis geschlossen, und elektrische Arbeit kann verrichtet werden (Abb. 5).

Die aktiven Schichten einer Solarzelle sind sehr dünn. Sie bestehen aus einer ca. 0,001 mm dünnen n-dotierten Schicht, die auf das ca. 0,6 mm dünne p-dotierte Silicium-Substrat aufgebracht wurde [3].

Es gibt grundsätzlich polykristalline und monokristalline Solarzellen. Polykristalline werden durch Gießen zu Blöcken und Zuschneiden hergestellt (Beispiel in Abb. 6). Monokristalline werden aus gezüchteten Silicium-Einkristallen geschnitten.