O objetivo da pesquisa fotovoltaica é otimizar o uso da energia solar na Terra. Para isso, estão sendo realizadas pesquisas sobre células solares feitas de novos materiais e combinações de materiais. Independentemente da composição exata, o princípio básico da célula solar é sempre o mesmo: com a ajuda de materiais semicondutores, a energia da luz solar é convertida em energia elétrica. Isso é feito fornecendo aos portadores de carga no material energia adicional da radiação solar.

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Esse nível de energia mais alto está dentro do que é conhecido como banda de condução. Porque, ao contrário de um único átomo, os elétrons em sólidos podem não apenas assumir valores de energia específicos, mas também valores de faixas de energia inteiras – ou bandas de energia. Nos semicondutores, a chamada banda de valência está cheia de elétrons. A luz do sol então eleva os elétrons dessa banda de energia para a banda de condução energeticamente mais alta. Isso é apenas parcialmente preenchido com elétrons. Portanto, eles podem se mover e, assim, transportar cargas. Vacâncias positivas ou buracos permanecem na banda de valência, que – como os elétrons carregados negativamente – podem migrar através do material.

“São criados elétrons e lacunas, ou seja, cargas positivas e negativas, que então se difundem para as interfaces e, assim, também constroem a corrente elétrica.”

Um material semicondutor popular que pode ser usado para gerar eletricidade dessa maneira é o silício. A maioria das células solares nos telhados das casas consiste neste elemento. No entanto, como acontece com todos os semicondutores, a eficiência do silício é limitada. Portanto, só pode converter uma certa proporção de luz solar em energia elétrica.