Güneş ışığı bir yarı iletken p-n bağlantısı üzerinde parlayarak yeni elektron-delik çiftleri oluşturur. p-n bağlantısının dahili-elektrik alanının etkisi altında, delikler n-bölgesinden p-bölgesine akar ve elektronlar p-bölgesinden n-bölgesine akar ve devre bağlandığında bir elektrik akımı oluşturur. Bu, fotoelektrik etkiye dayalı bir güneş pilinin çalışma prensibidir.
Doğrudan fotoğraf-elektriğe-dönüştürme, güneş radyasyonu enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için fotovoltaik etkiyi kullanır. Bu dönüşümün temel cihazı güneş pilidir. Güneş pili, fotovoltaik etki nedeniyle güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Yarı iletken bir fotodiyottur. Güneş ışığı fotodiyot üzerine düştüğünde, güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştürerek elektrik akımı üretir. Seri veya paralel bağlanan birçok hücre, nispeten büyük çıkış gücüne sahip bir güneş pili dizisi oluşturabilir. Güneş pilleri üç önemli avantajı olan, gelecek vaat eden yeni bir güç kaynağıdır: kalıcılık, temizlik ve esneklik. Güneş pillerinin ömrü uzundur; Güneş var olduğu sürece tek seferlik bir yatırımla güneş pilleri-uzun süre kullanılabilir. Termal enerji üretimi ve nükleer enerji üretimi ile karşılaştırıldığında güneş pilleri çevre kirliliğine neden olmaz.
Fotovoltaik enerji üretim sisteminin ana spesifik prensibi, yarı iletkenlerin fotoelektrik etkisidir. Bir foton bir metale çarptığında enerjisi metalin içindeki bir elektron tarafından tamamen emilebilir. Eğer soğurulan enerji yeterince büyükse, elektron metalin iç çekimini yenebilir, metal yüzeyinden kaçabilir ve bir fotoelektron haline gelebilir. Silikon atomlarının dört dış elektronu vardır. Fosfor atomları gibi beş dış elektrona sahip atomlar saf silikona eklenirse, N- tipi bir yarı iletken haline gelir; bor atomları gibi dışta üç elektrona sahip atomlar eklenirse P- tipi bir yarı iletken oluşur. P-tipi ve N-tipi yarı iletkenler birleştirildiğinde, arayüzde bir potansiyel farkı yaratılarak bir güneş pili oluşturulur. Güneş ışığı P-N kavşağında parladığında, delikler P-bölgesinden N-bölgesine hareket eder ve elektronlar N-bölgesinden P-bölgesine hareket ederek bir elektrik akımı oluşturur.