A fotovoltaikus napelem több tucat különálló cellából áll, amelyek összekapcsolták a kimenetet, amely megegyezik a panel összes cellájának teljes értékével. Az egyes cellák aktív anyaga a szilícium, ugyanaz az elem, amelyből a szilárdtest-elektronika készül. A szilícium fotoelektromos tulajdonságokkal rendelkezik, áramot generál, ha rávilágít rá.
Metalloidok
A metalloidoknak nevezett elemek egy speciális csoportja egy régiót foglal el a periódusos rendszerben lévő fémek és nemfémek között; a metalloidoknak vannak bizonyos tulajdonságai a fémeknek, másoknak pedig a nem fémeknek. Például a metalloidok törékenyek lehetnek, mint a nemfémek, de elektromos áramot vezethetnek, mint a fémek. A metalloid elemek két fő példája a szilícium és a germánium. A kettő közül a szilíciumnak több felhasználása van az elektronikában, mert a germániumnak problémái vannak a szobahőmérsékletnél melegebb környezetben.
Doppingolt szilícium
A doppingnak nevezett eljárás apró mennyiségű szennyeződést kever szilíciumba, megváltoztatva annak elektronikus tulajdonságait. Például, ha a szilíciumot bórral adalékolják, akkor pozitív elektromos töltések többlete van. Arzénnal doppingolva a szilícium töltése negatívvá válik. A napelem két szilíciumrétegből álló szendvics, az egyik pozitív, a másik negatív. A két oldal az akkumulátor pozitív és negatív kivezetéseként működik.
Fotoelektromos effektus
Amint a fény a napelem felszínére esik, az energia mozgatja az elektronokat a szilíciumban. Áramkörhöz csatlakozva a napelem elektromos áramforrássá válik. Habár az egyetlen cella által biztosított áram kicsi - néhány milliamper nagyságrendű -, egy napelemben sok cella áramlása több amper áramot ad.
A szilícium válasza a fényre
Teljes sötétségben a napelem nem termel áramot. A fény mennyiségének növekedésével a sejt kimenete is növekszik. A cella maximális árama azonban korlátozott; a maximális fényerőn felüli bármilyen további fény nem eredményez nagyobb elektromos teljesítményt. A fényerő mellett a beeső fény hullámhossza is számít. Egy tipikus szilícium napelem reagál a nap fényspektrumának látható és infravörös részeire, de a sárga és a vörös tartomány egyes hullámhosszai rosszul szívódnak fel. Az infravörös és az összes hosszabb hullámhossz egy része áthalad a napelemen, és nem termel áramot.