Die Photovoltaik, also die direkte Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie, ist inzwischen zu einem ökologisch und ökonomisch wertvollen Wirtschaftszweig geworden. Vor wenigen Jahren noch eine Randerscheinung, ist sie nun im Zeichen knapper werdender fossiler Brennstoffe, den damit verbundenen Umweltfolgen und der weiterhin großen Kritik an der Kernenergie zu einer wichtigen Alternative geworden, vor allem langfristig. Die Energie der Sonne steht uns täglich kostenlos zur Verfügung und ist aus menschlicher Sicht zeitlich unbegrenzt verfügbar. Die auf der Erde eintreffende Energie der Sonne ist etwa 3.000 mal höher als der gesamte Energieverbrauch der Menschheit.

Durch die Nutzung regenerativer Energien lässt sich der CO2-Ausstoß erheblich reduzieren.

Im derzeitigen Kraftwerksmix entstehen immer noch ca. 0,6 kg CO2 pro erzeugter Kilowattstunde (kWh), bei modernen (!) Kohlekraftwerken liegt der Wert sogar bei mehr als einem Kilogramm.

Die meisten heute hergestellten Solarzellen bestehen aus dem Grundmaterial Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erde. Silizium ist ein Halbleiter, also ein Stoff, der unter Zufuhr von Energie elektrisch leitfähig wird. Das elektrische Schalthild einer Solarzelle entspricht dem einer Diode. Meist werden Solarzellen auf Siliziumbasis als pn-Übergänge realisiert. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit wird das Silizium zusätzlich dotiert. Darunter versteht man das gezielte Einbringen geeigneter Fremdstoffe in geringen Mengen. Das n-dotierte Silizium entsteht durch Zugabe von so genannten Donatoren (z.B. Phosphor), die einen Elektronenüberschuss aufweisen. Eine Dotierung mit Akzeptoren (z.B. Bor)  ergibt im Gegensatz dazu eine hohe Löcherdichte, die zur p-Dotierung führt. So entsteht an der Grenzschicht der pn-Übergang, der einem Aufbau eines elektrischen Feldes entspricht. Bei Lichteinfall entsteht eine Ladungstrennung. In der Raumladungszone werden durch die Photonen Elektronen vom Valenzband gelöst und ins Leitungsband angehoben. Die Elektronen werden also vom Atom gelöst. Dadurch werden sie in das n-Gebiet gezogen und die entstehenden Löcher wandern ins p-Gebiet.

Der größte Teil der bislang installierten Module basiert auf kristallinem Silizium. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde  Vorzufinden ist es meist in Form von Siliziumdioxid (Quarzsand). Zur Herstellung von Silizium für Solarzellen muss dieses Grundmaterial allerdings in einem sehr aufwändigen Verfahren gereinigt und aufbereitet werden. Die erforderlichen Produktionsanlagen sind sehr kostenintensiv.

Bei polykristallinen Solarzellen sind die Kristalle unterschiedlich ausgerichtet, was zu Wirkungsgradverlusten führt. Die bislang erzielten Wirkungsgrade liegen bei 15 Prozent, im Labor bei 18 Prozent.

Um den Wirkungsgrad der Siliziumzellen (auch Wafer genannt) zu erhöhen, kann aus polykristallinem Material monokristallines Silizium hergestellt werden. Das polykristalline Silizium wird geschmolzen und durch ein aufwändiges chemisches Verfahren zu einem großen Kristall geformt.

Der maximale theoretische Wirkungsgrad liegt bei 28 Prozent, erreicht wurden bisher auf dem Markt 17,7 Prozent, im Labor bis zu 25 Prozent.