Deze ingenieuze technologie maakt gebruik van het fotovoltaïsche effect, een fysisch fenomeen waarbij zonnefotonen het oppervlak van een halfgeleider raken, wat resulteert in het vrijkomen van elektronen en het genereren van een exploiteerbare elektrische stroom.

Het fotovoltaïsche effect is een fundamenteel fenomeen van de natuurkunde dat de basis vormt van het functioneren van fotovoltaïsche cellen. Het treedt op wanneer licht, in de vorm van fotonen, het oppervlak van een halfgeleidermateriaal raakt, zoals het silicium dat in zonnecellen wordt gebruikt. Wanneer fotonen interageren met het materiaal, dragen ze hun energie over aan de elektronen in de halfgeleiderstructuur.

De energie van de fotonen prikkelt de elektronen, waardoor ze uit hun atomaire banen worden bevrijd. Deze vrijgekomen elektronen krijgen vervolgens kinetische energie en bewegen door het materiaal. Het is deze beweging van elektronen die een elektrische stroom genereert. In hun aangeslagen toestand hebben elektronen echter de neiging om te recombineren met gaten (de openingen die worden achtergelaten door ontbrekende elektronen) in het materiaal, wat het fotovoltaïsche effect zou kunnen opheffen.

Om deze ongewenste recombinatie te voorkomen, zijn fotovoltaïsche cellen ontworpen om een PN-junctie te creëren. In een typische zonnecel wordt de bovenste laag van het halfgeleidermateriaal gedopeerd met atomen met overtollige elektronen (n-type), terwijl de onderste laag is gedopeerd met atomen met overtollige gaten (p-type). Deze configuratie creëert een elektrisch veld dat de vrijgekomen elektronen naar de n-type laag leidt en de gaten naar de p-type laag.

Als gevolg hiervan worden de elektronen die vrijkomen door het fotovoltaïsche effect verzameld op het n-type oppervlak van de fotovoltaïsche cel, terwijl de gaten worden verzameld op het p-type oppervlak. Deze scheiding van ladingen creëert een elektrische potentiaal tussen de twee lagen, waardoor een constante elektrische stroom wordt gegenereerd wanneer zonlicht de cel raakt. Deze stroom kan vervolgens worden gebruikt als een bron van elektriciteit om elektrische apparaten van stroom te voorzien of worden opgeslagen in batterijen voor later gebruik. In hun aangeslagen toestand in de geleidingsband zijn deze elektronen vrij om door het materiaal te bewegen, en het is deze beweging van het elektron die een elektrische stroom in de cel creëert.

Deze cellen zijn gemaakt van een enkel siliciumkristal, waardoor ze een uniforme structuur en een hoog rendement hebben.
De unieke kristaloriëntatie zorgt voor een betere opvang van zonnefotonen, wat resulteert in een hoog rendement.
Het productieproces is echter complexer, wat resulteert in hogere productiekosten.

Gemaakt van siliciumblokken bestaande uit meerdere kristallen, zijn deze cellen gemakkelijker en goedkoper te produceren dan monokristallijnen.
De grenzen tussen kristallen kunnen de efficiëntie enigszins verminderen, maar technische vooruitgang heeft hun prestaties in de loop van de tijd verbeterd.
Ze bieden een goede balans tussen kosten, efficiëntie en duurzaamheid.

Deze cellen worden gemaakt door een dunne laag halfgeleidermateriaal rechtstreeks op een substraat, zoals glas of metaal, af te zetten.
Ze zijn lichter en flexibeler dan siliciumcellen, waardoor ze kunnen worden geïntegreerd in verschillende toepassingen, zoals zachte zonnedaken.
De efficiëntie is over het algemeen lager dan die van siliciumcellen, maar technologische vooruitgang is gericht op het verbeteren van hun efficiëntie.

Deze cellen combineren verschillende lagen halfgeleidermaterialen, waardoor een heterojunctie-interface ontstaat.
De interface bevordert een efficiënte ladingsscheiding en vermindert verliezen als gevolg van elektronen- en gatrecombinatie.
HIT-cellen hebben een goede opbrengst en betere prestaties bij hoge temperaturen.

Op perovskiet gebaseerde cellen zijn relatief nieuw en hebben grote belangstelling getrokken vanwege hun gemak van productie en hoge efficiëntiepotentieel.
Perovskietmaterialen kunnen worden afgezet uit vloeibare oplossingen, waardoor de deur wordt geopend naar goedkopere productieprocessen.
Duurzaamheid en stabiliteit op lange termijn onder verschillende omstandigheden blijven echter uitdagingen. De meeste commerciële PV-cellen zijn single-junction, maar multi-junction PV-cellen zijn ook ontwikkeld om hogere efficiënties te bereiken tegen hogere kosten.

Monokristallijn : Gemaakt van een enkel siliciumkristal, bieden deze cellen een hoge efficiëntie vanwege hun homogene structuur. Hun productieproces is echter complex en duur.
Polykristallijn : Gemaakt van verschillende siliciumkristallen, zijn deze cellen betaalbaarder om te produceren dan monokristallijnen. Hun effectiviteit is echter iets lager vanwege de grenzen tussen de kristallen.

Cadmium Telluride (CdTe) : Deze cellen gebruiken cadmiumtelluride als halfgeleidermateriaal. Ze zijn betaalbaar om te produceren en worden vaak gebruikt in grootschalige toepassingen. Cadmium is echter giftig, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over het milieu.
Koper Indium Gallium Selenide (CIGS) : Deze cellen zijn samengesteld uit lagen koper, indium, gallium en selenium. Ze bieden een hoog rendement en kunnen worden vervaardigd op flexibele oppervlakken, waardoor ze geschikt zijn voor bepaalde speciale toepassingen.

Deze cellen gebruiken organische polymeren of op koolstof gebaseerde materialen om licht om te zetten in elektriciteit. Ze zijn meestal lichtgewicht en flexibel, maar hun effectiviteit is vaak lager dan die van andere celtypen.

Perovskietcellen zijn relatief nieuw, maar trekken grote belangstelling vanwege hun hoge efficiëntiepotentieel en mogelijk lagere productiekosten. Ze gebruiken een kristallijn materiaal genaamd perovskiet om licht op te vangen.