Anders als Metalle, bei denen eine äußere Spannungsquelle (z. B. Batterie) genügt, um Elektronen in eine gerichtete Bewegung zu versetzen, benötigen Halbleitermaterialien eine zusätzliche Energiezufuhr in Form von Wärme oder Licht, um stromleitend zu werden. Solarzellen sind lichtdurchflutete Halbleiter, z. B. auf Siliziumbasis, mit einer „inneren Spannungsquelle“. Die notwendige Spannung resultiert aus zwei benachbarten Schichten, in denen jeweils negative Ladungsträger (n- Bereich) bzw. positive Ladungsträger (p- Bereich) überwiegen (Abb. 4). Um dies zu erreichen, werden in das Gitter aus Siliziumatomen in dünnen Oberflächenschichten geringe Mengen von Fremdatomen eingebaut (Dotierung). An der dem Licht zugewandten Seite werden in geringer Dosis Elemente eingebracht, durch die Halbleiter gut leiten (z. B. Phosphor, Arsen für den n- Bereich) und auf der anderen Seite solche, durch die sie schlecht leiten (z. B. Bor, Indium). Zwischen diesen Schichten bildet sich ein schwach p- leitender Bereich aus.

Die dotierten Bereiche wirken wie eine „Membran“, d. h. Elektronen und positive Ladung (Elektronenfehlstellen) können nur in unterschiedliche Richtungen abfließen. Dringen Photonen (Licht) in diese Zellen ein, werden dabei Elektronen angeregt, nehmen Energie auf und können sich eine Zeit lang frei bewegen. Diese freien Elektronen sind dann bewegte Ladung, also elektrischer (Gleich-)Strom. Sobald das freie bewegte Elektron dann auf eine Elektronenfehlstelle trifft, wird es wieder fest in das Atomgitter eingebunden. Daher fließt der Strom nur, solange ständig neue Photonen folgen. Die Leistung einer Solarzelle ist vor allem abhängig von der Lichtintensität sowie der Flächengröße der Zelle und kann aus der Kennlinie abgelesen werden (Abb. 5). Der Wirkungsgrad η ist definiert als das Verhältnis der von der Zelle abgegebenen elektrischen Leistung zur senkrecht auf die Zelle einfallenden Lichtleistung.