يسلط ضوء الشمس على تقاطع أشباه الموصلات -n، مكونًا أزواج ثقوب إلكترونية- جديدة. تحت تأثير المجال الكهربائي - المدمج في الوصلة p-n، تتدفق الثقوب من المنطقة n- إلى المنطقة p-، وتتدفق الإلكترونات من المنطقة p- إلى المنطقة n-، لتشكل تيارًا كهربائيًا عند توصيل الدائرة. هذا هو مبدأ عمل الخلية الشمسية التي تعتمد على التأثير الكهروضوئي.
يستخدم التحويل المباشر من الصورة -إلى-الكهرباء التأثير الكهروضوئي لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية. والجهاز الأساسي لهذا التحويل هو الخلية الشمسية. الخلية الشمسية هي جهاز يقوم بتحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية بسبب التأثير الكهروضوئي. وهو ثنائي ضوئي لأشباه الموصلات. عندما يسلط ضوء الشمس على الثنائي الضوئي، فإنه يحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، مما يولد تيارًا كهربائيًا. يمكن للعديد من الخلايا المتصلة على التوالي أو بالتوازي أن تشكل مجموعة من الخلايا الشمسية ذات طاقة خرج كبيرة نسبيًا. تعد الخلايا الشمسية نوعًا جديدًا واعدًا من مصادر الطاقة، وتتميز بثلاث مزايا رئيسية: الدوام، والنظافة، والمرونة. تتمتع الخلايا الشمسية بعمر طويل؛ طالما أن الشمس موجودة، يمكن استخدام الخلايا الشمسية لفترة طويلة باستثمار-مرة واحدة. بالمقارنة مع توليد الطاقة الحرارية وتوليد الطاقة النووية، فإن الخلايا الشمسية لا تسبب التلوث البيئي.
المبدأ الرئيسي المحدد لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية هو التأثير الكهروضوئي لأشباه الموصلات. عندما يصطدم الفوتون بمعدن، يمكن أن يمتص طاقته بالكامل بواسطة إلكترون داخل المعدن. إذا كانت الطاقة الممتصة كبيرة بما فيه الكفاية، فيمكن للإلكترون التغلب على الجذب الداخلي للمعدن، والهروب من سطح المعدن، ويصبح إلكترونًا ضوئيًا. تحتوي ذرات السيليكون على أربعة إلكترونات خارجية. إذا تمت إضافة ذرات ذات خمسة إلكترونات خارجية، مثل ذرات الفوسفور، إلى السيليكون النقي، فإنه يصبح شبه موصل من النوع N-؛ إذا تمت إضافة ذرات بثلاثة إلكترونات خارجية، مثل ذرات البورون، يتم تكوين شبه موصل من النوع P-. عندما يتم الجمع بين أشباه الموصلات من النوع P- والنوع N-، يتم إنشاء فرق محتمل في الواجهة، مما يشكل خلية شمسية. عندما تشرق أشعة الشمس على الوصلة P-N، تنتقل الثقوب من المنطقة P- إلى المنطقة N-، وتنتقل الإلكترونات من المنطقة N- إلى المنطقة P-، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.