A napelemek és a növények is napfényből nyernek energiát. A fotovoltaikus napelemek összegyűjtik a napfényt és elektromossággá változtatják. A növényi levelek összegyűjtik a napfényt, és átalakítják tárolt kémiai energiává. A napelemek és a növények is ugyanazt a munkát végzik, de különböző módon végzik. A két megközelítés között azonban vannak hasonlóságok. Az egyik típusú napelemet még a lehető leghamarabb hasonlítják a fotoszintézishez.
Energia a fényből
A napfény energiája kevés fotonnak nevezett csomagként érkezik. A fotonok mindegyike apró energiát hordoz. A kék foton energiája magasabb, mint a vörös foton energiája. Ez azért fontos, mert a napelemek és a növények is csak akkor képesek elnyelni a napfényt, ha az energia megfelelő. Amikor egy anyag elnyeli a napfényt, a fényben lévő fotonok energiájukat az anyagban lévő elektronokhoz továbbítják. Az elektronok csak szűk tartományban képesek felvenni az energiát, így egy adott elektron csak a fényspektrumban meghatározott színű fotonok energiáját képes befogadni.
A megfelelő fotonenergia
Mind a fotovoltaikus, mind a fotoszintetikus üzemek fel vannak szerelve a fotonok elnyelésére. A fotoszintézis során az evolúció eredményeként klorofill keletkezett, amely molekula elnyeli a legfényesebb napfényt. A fotovoltaikus elemek számára a mérnökök olyan kristályokat terveztek, amelyekben az elektronok csak a napfény fotonjaiban lévő energiát tudják felhasználni. Mindkét esetben a fotonokat elnyelik az elektronok, amelyek felveszik a plusz energiát. Az extra energiájú elektront gerjesztett elektronnak, vagy gerjesztett állapotú elektronnak nevezzük.
Izgatott elektronok kezelése
A növényi és a napelemeknek egyaránt gyorsan kezelniük kell a gerjesztett elektronokat, mielőtt feladnák energiájukat, és visszamennének oda, ahol voltak, mielőtt elnyelték fotonjaikat. A fotoszintézis során a problémát úgy oldják meg, hogy az elektront egyik molekuláról a másikra mozgatják, amíg le nem telepedik egy olyan molekulában, amely sokáig képes energiát tárolni. A fotovoltaikában a gerjesztett elektronokat áramkörbe keverik, ahol vagy azonnal lefuttatnak valamit, vagy pedig egy akkumulátorba vezetik tárolás céljából.
Színérzékeny sejtek
Van egy nem szabványos típusú fotovoltaikus cella, amely megpróbálja másolni a fotoszintézis működését. Ahelyett, hogy az elektront a lehető leggyorsabban azonos atomok kristályán mozgatná, a festékkel érzékenyített napelem elnyeli az energiát egy festékmolekulában, majd a gerjesztett elektront átviszi a festékkel szomszédos másik anyagba molekula. Ez megakadályozza, hogy az elektron képes legyen haszontalanul elveszíteni energiáját. Amikor egy áramkörhöz csatlakozik, az elektron átjut a második anyagon, anélkül, hogy túl sok veszélyt okozna az energia elvesztésére.