La llum del sol brilla sobre una unió p-n semiconductora, formant nous parells-de forats d'electrons. Sota la influència del camp elèctric integrat-de la unió p-n, els forats flueixen de la regió n-a la regió p-, i els electrons flueixen de la regió p-a la regió n{-, formant un corrent elèctric quan el circuit està connectat. Aquest és el principi de funcionament d'una cèl·lula solar basat en l'efecte fotoelèctric.
La conversió directa de foto-a-electricitat utilitza l'efecte fotovoltaic per convertir directament l'energia de la radiació solar en energia elèctrica. El dispositiu bàsic per a aquesta conversió és la cèl·lula solar. Una cèl·lula solar és un dispositiu que converteix directament l'energia solar en energia elèctrica a causa de l'efecte fotovoltaic. És un fotodíode semiconductor. Quan la llum solar brilla sobre el fotodíode, converteix la llum solar en energia elèctrica, generant un corrent elèctric. Moltes cèl·lules connectades en sèrie o en paral·lel poden formar una matriu de cèl·lules solars amb una potència de sortida relativament gran. Les cèl·lules solars són un nou tipus de font d'energia prometedora amb tres avantatges principals: permanència, neteja i flexibilitat. Les cèl·lules solars tenen una llarga vida útil; mentre existeixi el sol, les cèl·lules solars es poden utilitzar durant molt de temps amb una-inversió única. En comparació amb la generació d'energia tèrmica i la generació d'energia nuclear, les cèl·lules solars no causen contaminació ambiental.
El principal principi específic d'un sistema de generació d'energia fotovoltaica és l'efecte fotoelèctric dels semiconductors. Quan un fotó colpeja un metall, la seva energia pot ser completament absorbida per un electró dins del metall. Si l'energia absorbida és prou gran, l'electró pot superar l'atracció interna del metall, escapar de la superfície metàl·lica i convertir-se en un fotoelectró. Els àtoms de silici tenen quatre electrons exteriors. Si s'afegeixen àtoms amb cinc electrons exteriors, com ara àtoms de fòsfor, al silici pur, es converteix en un semiconductor de tipus N-; si s'afegeixen àtoms amb tres electrons exteriors, com ara àtoms de bor, es forma un semiconductor de tipus P-. Quan es combinen semiconductors de tipus P- i de tipus N-, es crea una diferència de potencial a la interfície, formant una cèl·lula solar. Quan la llum solar brilla a la unió P-N, els forats es mouen de la regió P-a la regió N-i els electrons es mouen de la regió N-a la regió P{-, creant un corrent elèctric.