Фотоволтаиката е прякото преобразуване на светлината в електричество на атомно ниво. Някои материали показват свойство, известно като фотоелектричен ефект, който ги кара да абсорбират фотони от светлината и да освобождават електрони. Първият фотоволтаичен модул е построен от Bell Laboratories през 1954 година.
Фотоволтаичният ефект се проявява в слънчевите клетки. Тези слънчеви клетки са съставени от два различни типа полупроводници - p-тип и n-тип - които са свързани заедно, за да създадат pn-преход.
Чрез свързването на тези два вида полупроводници се образува електрическо поле в областта на прехода, като електроните се движат към положителната p-страна и дупките се движат към отрицателната n-страна. Това поле причинява негативно заредени частици да се движат в една посока и положително заредени частици в другата посока.
Светлината е съставена от фотони. Тези фотони могат да бъдат абсорбирани от фотоволтаична клетка - тип клетка, която съставя слънчеви панели. Когато светлината на подходяща дължина на вълната се пада върху тези клетки, енергията от фотона се прехвърля към атом от полупроводниковия материал в pn-прехода. По-конкретно, енергията се прехвърля към електроните в материала. Това кара електроните да скочат до по-високо енергийно състояние, известно като зона на проводимост. Това оставя след себе си "дупка" във валентната лента, от която електронът скочи. Това движение на електрона в резултат на добавена енергия създава два носителя на заряда - електрон-дупка.
Поради електрическото поле, което съществува в резултат на pn-прехода, електроните се движат към отрицателната n-страна, а положителните дупки се преместват на p-страна, следователно идва с фотоволтаичния ефект.
