A napfény rásüt a félvezető p-n átmenetére, új elektron-lyukpárokat képezve. A p-n átmenet beépített-elektromos tere hatására az n-régióból lyukak áramlanak a p-régióba, a p-régióból pedig az elektronok az n-régióba áramlanak, elektromos áramot képezve az áramkör csatlakoztatásakor. Ez a fotoelektromos hatáson alapuló napelem működési elve.
A közvetlen foto-elektromos-átalakítás a fotovoltaikus hatást használja fel a napsugárzás energiájának elektromos energiává történő közvetlen átalakítására. Ennek az átalakításnak az alapeszköze a napelem. A napelem olyan eszköz, amely a napenergiát közvetlenül elektromos energiává alakítja a fotovoltaikus hatás következtében. Ez egy félvezető fotodióda. Amikor a napfény rávilágít a fotodiódára, a napfényt elektromos energiává alakítja, elektromos áramot generálva. Sok sorosan vagy párhuzamosan kapcsolt cella viszonylag nagy kimenő teljesítménnyel képes napelem tömböt alkotni. A napelemek ígéretes új típusú áramforrások, amelyek három fő előnnyel rendelkeznek: tartósság, tisztaság és rugalmasság. A napelemek élettartama hosszú; Amíg a nap létezik, a napelemek hosszú ideig használhatók egy-egyszeri befektetéssel. A hőenergia-termeléshez és az atomenergia-termeléshez képest a napelemek nem okoznak környezetszennyezést.
A fotovoltaikus energiatermelő rendszerek fő sajátos elve a félvezetők fotoelektromos hatása. Amikor egy foton becsapódik egy fémbe, energiáját teljesen elnyelheti a fémben lévő elektron. Ha az elnyelt energia elég nagy, az elektron legyőzheti a fém belső vonzását, kiszabadulhat a fém felületéről, és fotoelektronná válhat. A szilícium atomoknak négy külső elektronja van. Ha öt külső elektront tartalmazó atomokat, például foszforatomokat adunk a tiszta szilíciumhoz, az N- típusú félvezetővé válik; ha három külső elektront tartalmazó atomokat, például bóratomokat adunk hozzá, P- típusú félvezető keletkezik. Ha P- típusú és N- típusú félvezetőket kombinálunk, potenciálkülönbség jön létre a határfelületen, és egy napelemet alkot. Amikor a napfény rávilágít a P-N csomópontra, a lyukak a P-régióból az N-régióba, az elektronok pedig az N-régióból a P-régióba mozognak, elektromos áramot hozva létre.