Όταν το ηλιακό φως λάμπει στη διασταύρωση pn ημιαγωγών, σχηματίζονται νέα ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων. Κάτω από τη δράση του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου της διασταύρωσης pn, οπές ρέουν από την περιοχή n στην περιοχή p και τα ηλεκτρόνια ρέουν από την περιοχή p στην περιοχή n. Όταν το κύκλωμα είναι συνδεδεμένο, σχηματίζεται ρεύμα. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας της ηλιακής κυψέλης φωτοβολταϊκού φαινομένου.
Υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής ηλιακής ενέργειας: ο ένας είναι η μέθοδος μετατροπής φωτός-θερμότητας-ηλεκτρισμού και ο άλλος είναι η μέθοδος μετατροπής άμεσου φωτός-ηλεκτρισμού.
(1) Η μέθοδος μετατροπής φωτός-θερμότητας-ηλεκτρισμού παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας τη θερμική ενέργεια που παράγεται από την ηλιακή ακτινοβολία. Γενικά, ο ηλιακός συλλέκτης μετατρέπει την απορροφούμενη θερμική ενέργεια σε ατμό του ρευστού εργασίας, ο οποίος στη συνέχεια οδηγεί τον ατμοστρόβιλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη διαδικασία είναι η διαδικασία μετατροπής φωτός-θερμότητας. Η τελευταία διαδικασία είναι η διαδικασία μετατροπής θερμότητας-ηλεκτρισμού, η οποία είναι η ίδια με τη συνηθισμένη παραγωγή θερμικής ενέργειας. Τα μειονεκτήματα της ηλιακής θερμικής παραγωγής ενέργειας είναι η χαμηλή απόδοση και το υψηλό κόστος. Υπολογίζεται ότι η επένδυσή της είναι τουλάχιστον 5 έως 10 φορές ακριβότερη από αυτή των συνηθισμένων θερμοηλεκτρικών σταθμών.
(2) Μέθοδος άμεσης μετατροπής φωτός-ηλεκτρισμού Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο για να μετατρέψει απευθείας την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η βασική συσκευή για τη μετατροπή φωτός-ηλεκτρισμού είναι το ηλιακό στοιχείο. Τα ηλιακά κύτταρα είναι συσκευές που μετατρέπουν το ηλιακό φως απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια λόγω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Είναι ημιαγωγικές φωτοδίοδοι. Όταν το ηλιακό φως λάμπει στη φωτοδίοδο, η φωτοδίοδος μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια και παράγει ρεύμα. Όταν πολλές κυψέλες συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα, μπορούν να σχηματίσουν μια συστοιχία ηλιακών κυψελών με σχετικά μεγάλη ισχύ εξόδου. Τα ηλιακά κύτταρα είναι μια πολλά υποσχόμενη νέα πηγή ενέργειας με τρία πλεονεκτήματα: μονιμότητα, καθαριότητα και ευελιξία. Τα ηλιακά κύτταρα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Όσο υπάρχει ο ήλιος, τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα με μια εφάπαξ επένδυση. Σε σύγκριση με την παραγωγή θερμικής ενέργειας και την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας, οι ηλιακές κυψέλες δεν προκαλούν ρύπανση του περιβάλλοντος.