Sollys skinner på en halvleder-p-n-junction og danner nye elektron--hulpar. Under påvirkning af det indbyggede-elektriske felt i p-n krydset flyder huller fra n-regionen til p-regionen, og elektroner strømmer fra p-regionen til n-regionen og danner en elektrisk strøm, når kredsløbet er tilsluttet. Dette er arbejdsprincippet for en solcelle baseret på den fotoelektriske effekt.
Direkte foto-til-elektricitetskonvertering udnytter den fotovoltaiske effekt til direkte at konvertere solstrålingsenergi til elektrisk energi. Den grundlæggende enhed til denne konvertering er solcellen. En solcelle er en enhed, der direkte omdanner solenergi til elektrisk energi på grund af den fotovoltaiske effekt. Det er en halvleder fotodiode. Når sollys skinner på fotodioden, omdanner det sollyset til elektrisk energi og genererer en elektrisk strøm. Mange celler forbundet i serie eller parallelt kan danne et solcellesystem med en relativt stor udgangseffekt. Solceller er en lovende ny type strømkilde med tre store fordele: Permanens, renlighed og fleksibilitet. Solceller har en lang levetid; så længe solen eksisterer, kan solceller bruges i lang tid med en-tidsinvestering. Sammenlignet med termisk elproduktion og atomkraftproduktion forårsager solceller ikke miljøforurening.
Det vigtigste specifikke princip i et fotovoltaisk elproduktionssystem er den fotoelektriske effekt af halvledere. Når en foton rammer et metal, kan dens energi absorberes fuldstændigt af en elektron i metallet. Hvis den absorberede energi er stor nok, kan elektronen overvinde metallets indre tiltrækning, flygte fra metaloverfladen og blive en fotoelektron. Siliciumatomer har fire ydre elektroner. Hvis atomer med fem ydre elektroner, såsom phosphoratomer, tilføjes til rent silicium, bliver det en halvleder af N--typen; hvis atomer med tre ydre elektroner, såsom boratomer, tilføjes, dannes en halvleder af P--typen. Når halvledere af P-type og N-type kombineres, skabes en potentialforskel ved grænsefladen, der danner en solcelle. Når sollys skinner på P-N-krydset, bevæger huller sig fra P--området til N--området, og elektroner bevæger sig fra N--området til P--området, hvilket skaber en elektrisk strøm.