Sinar matahari menyinari persimpangan p-n semikonduktor, membentuk pasangan lubang-elektron baru. Di bawah pengaruh medan listrik bawaan pada persimpangan p-n, lubang mengalir dari daerah n-ke daerah p-, dan elektron mengalir dari daerah p-ke daerah n-, membentuk arus listrik ketika rangkaian dihubungkan. Inilah prinsip kerja sel surya berdasarkan efek fotolistrik.
Konversi foto-menjadi-listrik langsung memanfaatkan efek fotovoltaik untuk secara langsung mengubah energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Perangkat dasar untuk konversi ini adalah sel surya. Sel surya adalah perangkat yang secara langsung mengubah energi matahari menjadi energi listrik melalui efek fotovoltaik. Ini adalah fotodioda semikonduktor. Ketika sinar matahari menyinari fotodioda, ia mengubah sinar matahari menjadi energi listrik, menghasilkan arus listrik. Banyak sel yang dihubungkan secara seri atau paralel dapat membentuk susunan sel surya dengan daya keluaran yang relatif besar. Sel surya adalah sumber listrik jenis baru yang menjanjikan dengan tiga keunggulan utama: permanen, bersih, dan fleksibel. Sel surya memiliki umur yang panjang; selama matahari masih ada, sel surya dapat digunakan dalam jangka waktu lama dengan investasi-kali lipat. Dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga panas dan pembangkit listrik tenaga nuklir, sel surya tidak menyebabkan pencemaran lingkungan.
Prinsip spesifik utama dari sistem pembangkit listrik fotovoltaik adalah efek fotolistrik semikonduktor. Ketika foton menumbuk logam, energinya dapat diserap seluruhnya oleh elektron di dalam logam. Jika energi yang diserap cukup besar, elektron dapat mengatasi gaya tarik internal logam, melepaskan diri dari permukaan logam, dan menjadi fotoelektron. Atom silikon memiliki empat elektron terluar. Jika atom dengan lima elektron terluar, seperti atom fosfor, ditambahkan ke silikon murni, maka silikon tersebut akan menjadi semikonduktor tipe N-; jika atom dengan tiga elektron terluar, seperti atom boron, ditambahkan, semikonduktor tipe P-terbentuk. Ketika semikonduktor tipe P-dan tipe N- digabungkan, perbedaan potensial tercipta pada antarmuka, membentuk sel surya. Saat sinar matahari menyinari persimpangan P-N, lubang berpindah dari wilayah P-ke wilayah N-, dan elektron berpindah dari wilayah N-ke wilayah P-, sehingga menciptakan arus listrik.