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Licht, Absorption und Photonenergie
Die Umwandlung von Sonnenenergie beginnt, wenn Photonen aus dem Sonnenlicht auf die Oberfläche einer Photovoltaikzelle treffen. Sonnenlicht ist eine Mischung aus elektromagnetischen Wellen, die sich über ultraviolette, sichtbare und infrarote Wellenlängen erstrecken. Jedes Photon trägt ein diskretes Energiepaket, das durch seine Wellenlänge bestimmt wird: Kürzere Wellenlängen (blaues Licht) tragen mehr Energie als längere Wellenlängen (rotes Licht).

^{Abbildung 2. Solare spektrale Bestrahlungsstärke (ASTM G173-03 Referenzspektren), die die Verteilung der Photonenergie über die Wellenlängen zeigt. Silizium-Solarzellen mit einer Bandlücke von ~1,1 eV (entsprechend einer Wellenlänge von ~1100 nm) können nur sichtbare und nahinfrarote Photonen umwandeln. (Quelle: NREL)}

Wenn ein Photon in ein Halbleitermaterial wie Silizium eindringt, kann es absorbiert, reflektiert oder transmittiert werden.

Absorption ist entscheidend: Wenn die Energie des Photons der Bandlückenenergie des Materials entspricht oder diese übersteigt (die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus seiner atomaren Bindung zu lösen), wird das Elektron vom Valenzband in das Leitungsband gehoben.

^{Abbildung 3. Vergleich der Energiebänderstrukturen in Metallen, Halbleitern und Isolatoren. In Halbleitern wie Silizium ist die Bandlücke (Eg ≈ 1,1 eV) klein genug, dass Photonen Elektronen vom Valenzband (rot) in das Leitungsband (blau) anregen können, was die photovoltaische Energieumwandlung ermöglicht. (Quelle: Wikimedia Commons, Public Domain)}

Dadurch entsteht ein Elektron-Loch-Paar – eine mobile negative Ladung (Elektron) und eine entsprechende positive Leerstelle (Loch).