We kunnen drie soorten stoffen onderscheiden: metalen, isolatoren en halfgeleiders.  In metalen bewegen zich vrije elektronen. Deze zijn afgestaan door de atomen van het metaal.  Het zijn deze elektronen die zorgen voor de geleiding van de elektrische stroom.  In isolatoren staan atomen ook één of meerdere elektronen af, maar deze blijven dicht in de buurt van hun atoom en kunnen niet vrij bewegen en  zijn daarom  dus niet geleidend voor de elektrische stroom.  Halfgeleiders hebben dus eigenschapen die hiertussen staan.  De elektronen die door een atoom zijn afgestaan blijven in de eerste plaats dicht bij het atoom.  Ze kunnen loskomen van het atoom door er een bepaalde hoeveelheid energie aan toe te voegen en zo vrij gaan bewegen.  Als gevolg is de stof dus geleidend voor de elektrische stroom.  Wat zo speciaal is aan halfgeleiders is dat de vrije elektronen ervan hun extra energie kunnen blijven vasthouden.  In een zonnecel is de extra energie die de elektronen gekregen hebben een maat voor de spanning ( en dus de elektrische energie) die de zonnecel afgeeft.  Namelijk, het verband tussen potentiaal V en energie U wordt weergegeven door:

                                       U = -e.V  

Hierbij is de elementaire ladingshoeveelheid (1,60.10^-19 C).  De potentiële energie van een elektron wordt hier gedefinieerd door de energie die aan een elektron moet worden toegevoegd om het vanuit het oneindige in één van de schillen rond de atoomkern te krijgen.  Omdat elektronen zich liever in een atoomschil bevinden dan in het oneindige, is de potentiële energie van elektronen in een stof altijd negatief.  

Figuur 8  toont ons de positie van de valentieband (E_v)  en de geleidingsband (E_c) en de daartussen liggende verboden zone wat niet anders wil zeggen dan de zone waar elektronen niet een hoeveelheid energie kunnen bevatten dat  tussen E_v en E_c ligt.  De valentieband geeft een bepaald energiebereik aan, waarbij de energie kleiner is dan een bepaalde E_v.

Als we het elektron wat extra energie geven, dan kan het elektron loskomen van zijn atoom en kunnen we zeggen dat het elektron in de geleidingsband zit, of anders gezegd een energie groter dan E_c heeft.  Nu bevindt het elektron zich in een energetisch hogere, of anders gezegd aangeslagen toestand.  Dit heeft als gevolg dat er in de valentieband een lege plaats achter blijft, een gat genoemd wat niets anders is dan een plaats waar een elektron ontbreekt en dus beschouwd wordt al een deeltje met een positieve lading.  Net zoals elektronen kunnen gaten zich ook bewegen  door het rooster. Dit kunnen we verklaren omdat een naburig elektron in het gat springt waardoor er op die plaats waar het elektron van kwam een nieuw gat is. Het gat verplaatst zich in de tegengestelde richting van het elektron.  Zoals eerder gezegd bevindt er zich  tussen de valentieband en de geleidingsband een zone waar geen enkel elektron mag komen, het verboden gebied/zone.  De grootte van dit gebied wordt uitgedrukt in elektronenvolt ( 1 eV = 1,60.10^-19 J) en aangeduid met de Engelse term ‘bandgap’.  De waarde van de bandgap ( E_g) is een eigenschap die voor elk materiaal verschillend is.  De bekendste halfgeleider silicium heeft een bandgap van 1,12 eV.

Hoe we een elektron dat extra aan energie kunnen geven om in de geleidingsband terecht te kunnen komen kan op verschillende manieren.  Één van die manieren is het verhogen van de temperatuur.  De temperatuursverhoging zal er voor zorgen dat een groot aantal elektronen in de geleidingsband terecht komt. De temperatuursverhoging moet hiervoor enkele duizenden graden Celsius zijn.  En deze warmte kan de zon niet aan de cellen geven. Dus is deze methode uitgesloten.  Gelukkig is er dus nog een andere methode om elektronen vrij te maken, namelijk met licht.  Het licht bestaat uit fotonen met een energie gegeven door:

                                          U_foton = hc / λ

Met h de constante van Planck (6,62.10^-34 Js), c de lichtsnelheid en λ de golflengte van het licht .

Om elektrische energie uit een zonnecel te krijgen moeten de aangeslagen elektronen een uitwending parkoer doorlopen,  net zoals bijvoorbeeld een radio of rekenmachine.  In dit uitwendig parkoer wordt met de energie van de elektronen nuttige arbeid verricht.  Als de aangeslagen elektronen dit willen bereiken, moeten ze zich door de halfgeleider naar een elektrisch contact bewegen.  Als een elektron op weg door de halfgeleider een gat tegenkomt, zal het elektron in dat gat blijven zitten. Door de tegengestelde lading trekken de elektronen elkaar immers aan.  Bijgevolg verliest het elektron zijn energie die op zijn beurt wordt omgezet in warmte ( roostertrillingen) en gaat de elektrische energie dus verloren en dat mag niet gebeuren.  Het is daarom belangrijk dat de elektronen en gaten binnenin de zonnecel van elkaar gescheiden worden.  Omdat een elektron en een gat een tegengestelde lading hebben, moeten ze gescheiden worden. Dit gebeurt door middel van een elektrisch veld aan te leggen.  Dit veld is het belichte deel van de zonnecel.  In een halfgeleider kan een elektrisch veld worden aangebracht door een p-n overgang te maken.  Hierbij brengt men een zogenaamde p-type halfgeleider in contact met een n-type halfgeleider, waardoor in een gebied rond de grens van deze materialen een elektrisch veld ontstaat. 

Het gedrag van zonnecellen kan men vergelijken met het gedrag van een diode maar dan omgekeerd.  Vanaf het moment dat  de voorkant van een zonnecel aan zonlicht wordt blootgesteld, wordt door de opvallende fotonen een elektronenoverschot respectievelijk een elektronentekort in de betreffende lagen van de zonnecel veroorzaakt. Ze veroorzaken dus een elektrische lading.  De positief-negatief-overgang van de zonnecel voorkomt door zijn sperrende werking dat de tegengestelde ladingen elkaar neutraliseren. Zo kunnen deze via geleidende metaalcontacten worden ‘afgetapt’ en gebruikt worden in de vorm van elektrische stroom.

Zonnecellen kunnen verschillende afmetingen hebben.  Zo zijn er bijvoorbeeld zonnecellen met een afmeting van 10 op 10 cm die doorgaans bestaan uit een 0,3…0,4 mm dikke plak silicium waarin door dotering met fosfor en borium, twee lagen die aan elkaar grenzen met verschillende elektrische eigenschappen zijn aangebracht.  De bovenzijde van een zonnecel is van een kamvormige metalen elektrode en van een antireflectie-coating voorzien. Met de bedoeling om zoveel mogelijk licht door te laten.  Tijdens de belichting van de zonnecel wordt een spanning van ongeveer 0,5 V opgewekt tussen het bovenste en het onderste contact. ( Figuur 9 )