Entgegen der allgemeinen Annahme hat Albert Einstein den Nobelpreis im Jahr 1921 nicht für seine bekannteste Arbeit, die Relativitätstheorie, erhalten. Er wurde für die Erklärung des photoelektrischen Effekts ausgezeichnet. Die Beobachtung dieses physikalischen Phänomens führt zu der Feststellung, dass das Licht aus einem Metall Elektronen herauszulösen scheint. Durch die Arbeit von Einstein nahm die Physik zur Kenntnis, dass Licht sowohl die Eigenschaften einer Welle als auch einzelner Teilchen aufweist. Natürlich widersprach diese These in radikalster Weise der klassischen Lehre. Schließlich schien und scheint es noch heute für viele Menschen unvorstellbar, dass das Licht der Sonne ein schizophrenes Dasein führt, wodurch es Welle und Teilchen zugleich ist. In der Praxis äußert sich diese Definition dadurch, dass ein auf einem Metall auftreffender Lichtstrahl die Energie seiner Teilchen an die Elektronen des Metalls übergibt. Dadurch wird den Ladungsträgern eine kinetische Energie verliehen, sie bewegen sich. Eine Bewegung von Ladungsträgern erfüllt jedoch die Definition des elektrischen Stroms. Die Photovoltaik beruht demnach auf der Tatsache, dass durch auf Metall einfallendes Licht Strom erzeugt wird.
Eine weitere Entdeckung, die eine Existenzgrundlage für die Photovoltaik darstellt, ist der P-N-Übergang. Durch Aneinanderfügen gegenpolig “verunreinigter” Halbleiter-Materialien entstand ein Bauteil, das über eine Durchlass- und Sperrrichtung verfügt und zugleich eine Steuerung des Ausgangsstroms ermöglicht. Die dieser Entdeckung folgende Beobachtung, dass Sonneneinstrahlung einen erheblichen Einfluss auf jene Stromstärke hat, bestimmte die Geburtsstunde der photovoltaischen Zelle. Die entstehende Gleichspannung muss hierbei in jedem Fall mit einem Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt werden, damit eine solche Zelle am öffentlichen Stromnetz betrieben werden kann.
Dabei kann eine handelsübliche Sollarzelle jedoch nicht nur das Licht umwandeln, das wir mit den Augen wahrnehmen. Die Sonne sendet Licht in Form elektromagnetischer Wellen verschiedener Frequenzen ab, wodurch sie auch den ultravioletten und infraroten Bereich abdeckt. Für die Herstellung photovoltaischer Zellen werden verschiedene Halbleiter eingesetzt, wobei Silicium das populärste Material darstellt. Des Weiteren können Solarzellen in monokristalline und polykristalline Varianten unterteilt werden, wobei die erste Ausführung grundsätzlich bevorzugt wird, oft jedoch nicht wirtschaftlich einsetzbar ist. Innovationen auf dem Gebiet photovoltaischer Zellen haben im Allgemeinen mit einem schlechten Wirkungsgrad zu kämpfen. Generell beschreibt diese Größe das Verhältnis aus abgegebener und zugeführter Leistung und sollte möglichst hoch sein, was im nicht erreichbaren Optimalfall einen Wert von 100% bedeuten würde. Bei handelsüblichen Solarzellen liegt der Wirkungsgrad jedoch nur bei 5-20%. Höhere Kosten und somit bessere Herstellungsverfahren sorgen hier oft für zufriedenstellendere Ergebnisse. In der Raumfahrt werden beispielsweise Zellen mit dem momentan höchstmöglichen Wirkungsgrad verwendet.
Silicium bildet mehr als ein Viertel der Erdkruste und ist daher auch auf langfristige Sicht in fast unbegrenztem Maße verfügbar. Deswegen ist bei der Herstellung von Silicium-Solarzellen zukünftig nicht mit Engpässen zu rechnen. Andere für die Herstellung verwendete Metalle sind jedoch nur noch schwer abbaubar und werden bei weiterer Ausbeutung fast vollständig verschwinden. Zwar stellt die Photovoltaik bislang eine recht kostspielige Alternative zu Energie aus fossiler Quelle dar, in Deutschland wird sie jedoch durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert. Wer sich selbst mit einer entsprechenden Anlage ausrüstet, erhält pro gelieferter Kilowattstunde anteilige Vergütungen, die von der Errichtung an 20 Jahre lang gleich bleiben. Als ein Kritikpunkt an der Photovoltaik gilt der Herstellungsprozess, der mitunter mit erheblichem CO2-Ausstoß verbunden ist. Die Nutzung von Solarzellen kommt jedoch ohne Lagerung von Abfallprodukten aus, ihre Energieumwandlung selbst sorgt für keinerlei Ausstoß von Kohlenstoffdioxid. Unter Verwendung von Akkumulatoren als kurzfristige Energiespeicher kann sich der Verbraucher zudem ein Inselsystem schaffen, das ihn prinzipiell von externen Energieversorgern unabhängig macht. Satelliten arbeiten meist nach diesem Prinzip, das wegen ihrer Nähe zur Sonne noch erheblich besser funktioniert.