Ez a zseniális technológia kihasználja a fotovoltaikus hatást, egy fizikai jelenséget, amikor a napfotonok egy félvezető felületébe ütköznek, ami elektronok felszabadulását és kihasználható elektromos áram generálását eredményezi.

A fotovoltaikus hatás a fizika alapvető jelensége, amely a fotovoltaikus cellák működésének alapja. Ez akkor fordul elő, amikor a fény fotonok formájában eléri a félvezető anyag, például a napelemekben használt szilícium felületét. Amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, energiájukat átadják a félvezető szerkezetben lévő elektronoknak.

A fotonok energiája gerjeszti az elektronokat, ami megszabadítja őket atompályájuktól. Ezek a felszabaduló elektronok ezután mozgási energiát szereznek, és áthaladnak az anyagon. Ez az elektronmozgás elektromos áramot generál. Gerjesztett állapotukban azonban az elektronok hajlamosak rekombinálódni lyukakkal (a hiányzó elektronok által hagyott résekkel) az anyagban, ami kiküszöbölheti a fotovoltaikus hatást.

A nemkívánatos rekombináció elkerülése érdekében a fotovoltaikus cellákat úgy tervezték, hogy PN csatlakozást hozzanak létre. Egy tipikus napelemben a félvezető anyag felső rétege olyan atomokkal van adalékolva, amelyek felesleges elektronokkal rendelkeznek (n-típusú), míg az alsó réteg felesleges lyukakkal rendelkező atomokkal van adalékolva (p-típusú). Ez a konfiguráció olyan elektromos mezőt hoz létre, amely a felszabaduló elektronokat az n-típusú rétegre, a lyukakat pedig a p-típusú rétegre irányítja.

Ennek eredményeként a fotovoltaikus hatás által felszabaduló elektronokat a fotovoltaikus cella n-típusú felületén gyűjtik össze, míg a lyukakat a p-típusú felületen gyűjtik össze. A töltések szétválasztása elektromos potenciált hoz létre a két réteg között, így állandó elektromos áramot generál, amikor a napfény eléri a cellát. Ez az áram ezután villamosenergia-forrásként használható elektromos készülékek táplálására, vagy akkumulátorokban tárolható későbbi felhasználás céljából. A vezetési sávban gerjesztett állapotukban ezek az elektronok szabadon mozoghatnak az anyagon, és ez az elektronmozgás elektromos áramot hoz létre a cellában.

Ezek a sejtek egyetlen szilíciumkristályból készülnek, ami egységes szerkezetet és nagy hatékonyságot biztosít számukra.
Az egyedülálló kristályorientáció lehetővé teszi a napfotonok jobb rögzítését, ami nagy hatékonyságot eredményez.
A gyártási folyamat azonban összetettebb, ami magasabb termelési költségeket eredményez.

A több kristályt tartalmazó szilíciumtömbökből készült cellákat könnyebb és olcsóbb előállítani, mint a monokristályokat.
A kristályok közötti határok kissé csökkenthetik a hatékonyságot, de a technikai fejlődés idővel javította teljesítményüket.
Jó egyensúlyt kínálnak a költség, a hatékonyság és a fenntarthatóság között.

Ezeket a cellákat úgy állítják elő, hogy vékony félvezető anyagréteget helyeznek közvetlenül egy hordozóra, például üvegre vagy fémre.
Könnyebbek és rugalmasabbak, mint a szilícium cellák, lehetővé téve számukra, hogy különböző alkalmazásokba, például puha napelemes tetőkbe integrálják őket.
A hatékonyság általában alacsonyabb, mint a szilícium celláké, de a technológiai fejlődés célja hatékonyságuk javítása.

Ezek a sejtek egyesítik a félvezető anyagok különböző rétegeit, heterojunkciós interfészt hozva létre.
Az interfész elősegíti a töltés hatékony szétválasztását és csökkenti az elektron és a lyuk rekombinációjából eredő veszteségeket.
A HIT cellák jó hozammal és jobb teljesítménnyel rendelkeznek magas hőmérsékleten.

A perovszkit alapú cellák viszonylag újak, és könnyű gyárthatóságuk és nagy hatékonyságuk miatt nagy érdeklődést váltottak ki.
A perovszkit anyagok folyékony oldatokból helyezhetők el, megnyitva az ajtót az olcsóbb gyártási folyamatokhoz.
A hosszú távú fenntarthatóság és stabilitás azonban különböző körülmények között továbbra is kihívást jelent. A legtöbb kereskedelmi fotovoltaikus cella egycsatlakozású, de többcsatlakozású PV-cellákat is kifejlesztettek, hogy nagyobb hatékonyságot érjenek el magasabb költségek mellett.

Monokristályos : Egyetlen szilíciumkristályból készült cellák homogén szerkezetüknek köszönhetően nagy hatékonyságot kínálnak. Gyártási folyamatuk azonban összetett és drága.
Polikristályos : Több szilíciumkristályból készülnek, ezek a cellák megfizethetőbbek, mint a monokristályok. Hatékonyságuk azonban valamivel alacsonyabb a kristályok közötti határok miatt.

Kadmium-tellurid (CdTe) : Ezek a cellák félvezető anyagként kadmium-telluridot használnak. Előállításuk megfizethető, és gyakran használják őket nagyszabású alkalmazásokban. A kadmium azonban mérgező, ami környezetvédelmi aggályokat vet fel.
Réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) : Ezek a sejtek réz-, indium-, gallium- és szelénrétegekből állnak. Nagy hatékonyságúak és rugalmas felületeken gyárthatók, így alkalmasak bizonyos speciális alkalmazásokra.

Ezek a cellák szerves polimereket vagy szénalapú anyagokat használnak a fény villamos energiává történő átalakítására. Általában könnyűek és rugalmasak, de hatékonyságuk gyakran alacsonyabb, mint más sejttípusoké.

A perovszkit cellák viszonylag újak, de nagy érdeklődést váltanak ki nagy hatékonyságuk és potenciálisan csökkentett gyártási költségeik miatt. A fény befogására perovszkit nevű kristályos anyagot használnak.