Ánh sáng mặt trời chiếu vào điểm nối p{0}}n bán dẫn, tạo thành các cặp lỗ trống electron mới. Dưới tác động của điện trường-nội tại của tiếp giáp p-n, các lỗ trống di chuyển từ vùng n- sang vùng p- và các electron di chuyển từ vùng p-sang vùng n-, tạo thành dòng điện khi mạch được kết nối. Đây là nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện.
Chuyển đổi ảnh trực tiếp-thành-điện sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Thiết bị cơ bản cho việc chuyển đổi này là pin mặt trời. Pin mặt trời là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành năng lượng điện nhờ hiệu ứng quang điện. Nó là một photodiode bán dẫn. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào photodiode, nó sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, tạo ra dòng điện. Nhiều tế bào được kết nối nối tiếp hoặc song song có thể tạo thành dãy pin mặt trời có công suất đầu ra tương đối lớn. Pin mặt trời là loại nguồn năng lượng mới đầy hứa hẹn với ba ưu điểm chính: lâu dài, sạch sẽ và linh hoạt. Pin mặt trời có tuổi thọ cao; miễn là mặt trời còn tồn tại, pin mặt trời có thể được sử dụng trong thời gian dài chỉ cần đầu tư một lần. So với sản xuất nhiệt điện và sản xuất điện hạt nhân, pin mặt trời không gây ô nhiễm môi trường.
Nguyên lý cụ thể chính của hệ thống phát điện quang điện là hiệu ứng quang điện của chất bán dẫn. Khi một photon chạm vào kim loại, năng lượng của nó có thể bị hấp thụ hoàn toàn bởi một electron bên trong kim loại. Nếu năng lượng hấp thụ đủ lớn, electron có thể thắng được lực hút bên trong của kim loại, thoát ra khỏi bề mặt kim loại và trở thành quang điện tử. Nguyên tử silicon có bốn electron bên ngoài. Nếu các nguyên tử có năm electron bên ngoài, chẳng hạn như nguyên tử phốt pho, được thêm vào silicon nguyên chất, nó sẽ trở thành chất bán dẫn loại N-; nếu các nguyên tử có ba electron bên ngoài, chẳng hạn như nguyên tử boron, được thêm vào thì chất bán dẫn loại P- sẽ được hình thành. Khi các chất bán dẫn loại P- và loại N{8}} được kết hợp với nhau, một hiệu điện thế sẽ được tạo ra ở bề mặt tiếp xúc, tạo thành pin mặt trời. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào điểm nối P-N, các lỗ di chuyển từ vùng P{11}}sang vùng N{12}} và các electron di chuyển từ vùng N-sang vùng P{14}}, tạo ra dòng điện.