Zarówno ogniwa słoneczne, jak i rośliny pobierają energię ze światła słonecznego. Fotowoltaiczne ogniwa słoneczne zbierają światło słoneczne i zamieniają je w energię elektryczną. Liście roślin gromadzą światło słoneczne i przekształcają je w zmagazynowaną energię chemiczną. Zarówno ogniwa słoneczne, jak i rośliny wykonują tę samą pracę, ale robią to na różne sposoby. Istnieją jednak podobieństwa między tymi dwoma podejściami. Jeden typ ogniwa słonecznego jest nawet zaprojektowany tak, aby był jak najbardziej podobny do fotosyntezy.
Energia ze światła
Energia w świetle słonecznym jest dostarczana w postaci małych paczek zwanych fotonami. Fotony niosą ze sobą niewielką ilość energii. Energia niebieskiego fotonu jest wyższa niż energia fotonu czerwonego. To ważne, ponieważ zarówno ogniwa słoneczne, jak i rośliny mogą pochłaniać światło słoneczne tylko wtedy, gdy energia jest odpowiednia. Kiedy materiał pochłania światło słoneczne, fotony w świetle przekazują swoją energię elektronom w materiale. Elektrony mogą pochłaniać energię tylko w wąskim zakresie, więc dany elektron będzie w stanie przyjąć energię tylko od fotonów o określonych kolorach w widmie światła.
Właściwa energia fotonowa
Zarówno fotowoltaika, jak i rośliny fotosyntetyczne są ustawione do pochłaniania fotonów. W fotosyntezie ewolucja wytworzyła chlorofil, cząsteczkę, która pochłania najjaśniejsze światło słoneczne. W przypadku fotowoltaiki inżynierowie zaprojektowali kryształy, w których elektrony mogą wykorzystywać tylko ilość energii zawartej w fotonach światła słonecznego. W obu przypadkach fotony są pochłaniane przez elektrony, które pobierają dodatkową energię. Elektron o dodatkowej energii nazywamy elektronem wzbudzonym lub elektronem w stanie wzbudzonym.
Obsługa wzbudzonych elektronów
Zarówno ogniwa roślinne, jak i słoneczne muszą szybko radzić sobie z wzbudzonymi elektronami, zanim oddadzą swoją energię i wrócą tam, gdzie były, zanim pochłonęły fotony. W fotosyntezie problem rozwiązuje się, przenosząc elektron z jednej cząsteczki na drugą, aż osiądzie w cząsteczce, która może przechowywać energię przez długi czas. W fotowoltaice wzbudzone elektrony są wyrzucane do obwodu, gdzie albo od razu coś uruchamiają, albo są kierowane do akumulatora w celu przechowywania.
Komórki wrażliwe na barwnik
Istnieje niestandardowy rodzaj ogniwa fotowoltaicznego, który próbuje skopiować sposób działania fotosyntezy. Zamiast jak najszybszego przemieszczania elektronu przez kryształ o identycznych atomach, światłoczułe ogniwo słoneczne absorbuje energię w cząsteczce barwnika, a następnie przenosi wzbudzony elektron do innego materiału znajdującego się w sąsiedztwie barwnika cząsteczka. Dzięki temu elektron nie może bezużytecznie tracić swojej energii. Po podłączeniu do obwodu elektron przechodzi przez drugi materiał bez zbytniego niebezpieczeństwa utraty energii.