Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η διαδικασία με την οποία δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα με τη μορφή τάσης όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκτίθεται σε ένα συγκεκριμένο υλικό. Χρησιμοποιώντας ηλιακά κύτταρα, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο εμφανίζεται όταν πολύ μικρά μήκη κύματος ηλιακού φωτός προσκρούουν στην ύλη και τα ηλεκτρόνια διεγείρονται. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται από το ηλιακό πάνελ και συλλέγεται από άλλο υλικό. Αυτή η εκτόξευση ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση τάσης δημιουργώντας ενέργεια που μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα στοιχείο μπαταρίας για μελλοντική χρήση. Δύο ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται για τη συλλογή της τάσης, η οποία μπορεί να μεταφερθεί στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Διαφορετικοί τύποι ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας προκαλούν διαφορετικά επίπεδα έκθεσης στα ηλιακά κύτταρα ως αποτέλεσμα της συχνότητας. Το ορατό φως δημιουργεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο όταν προσκρούει σε αλκαλικά μέταλλα, το υπεριώδες φως το δημιουργεί σε άλλα μέταλλα, με το ακραίο υπεριώδες φως να χρησιμοποιείται για τα μη μέταλλα. Αυτή η ιδέα παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1902 από τον Philipp Eduard Anton von Lenard όταν ανακάλυψε ότι διαφορετικά χρώματα φωτός, γνωστά και ως συχνότητα, εκπέμπουν διαφορετικά επίπεδα ηλεκτρονίων. Προηγουμένως, η κυματική θεωρία του φωτός από τον James Clerk Maxwell δήλωσε ότι η ένταση της ακτινοβολίας θα δημιουργούσε ανάλογη ενέργεια ηλεκτρονίων. Αυτή η νέα θεωρία εξήγησε ότι τα φωτόνια ήταν υπεύθυνα για τη δημιουργία της εκτόξευσης ηλεκτρονίων και λειτουργούσαν ως μεμονωμένα σωματίδια και όχι ως σταθερά κύματα.
Ο φυσικός AE Becquerel αναγνώρισε την έννοια του φωτοβολταϊκού φαινομένου του ηλιακού φωτός το 1839, αλλά η κατανόησή του ήταν περιορισμένη. Το 1883, ο Τσαρλς Φριτς κατασκεύασε το πρώτο ηλιακό στοιχείο, χρησιμοποιώντας έναν ημιαγωγό σεληνίου επικαλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα χρυσού. Αυτή η πρώτη χρήση ηλιακής κυψέλης ήταν μόνο ένα τοις εκατό αποτελεσματική. Μόλις το 1954 τα εργαστήρια Bell ανέπτυξαν έναν πρακτικό τρόπο αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας.
Ο τρόπος που αξιοποιείται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο με χρήση ηλιακών κυψελών είναι πολύ βασικός. Ουσιαστικά, τα φωτόνια από το ηλιακό φως προσκρούουν στο ηλιακό πάνελ και απορροφώνται από το υλικό. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια μέσα στο υλικό απομακρύνονται από τα άτομα, τα οποία στη συνέχεια παράγουν ηλεκτρισμό. Αυτή η κατάσταση ελέγχεται επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να κινούνται προς μία μόνο κατεύθυνση στον πίνακα, προκαλώντας μια αντίστροφη δράση κατά την οποία θετικά φορτισμένα σωματίδια ρέουν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Με τις δύο αυτές ενέργειες που συμβαίνουν, ένα συνεχές ρεύμα ηλεκτρισμού μπορεί να αξιοποιηθεί από την ηλεκτρομαγνητική αντίδραση.
Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι απαραίτητο για μια σειρά από διεργασίες στη σύγχρονη ζωή. Εκτός από τη δημιουργία ενέργειας για γενικούς σκοπούς, τα ηλιακά κύτταρα είναι απαραίτητα για τα διαστημόπλοια που χρησιμοποιούνται από τη NASA και άλλες διαστημικές υπηρεσίες. Επίσης, οι αρχές της τεχνολογίας αξιοποιούνται σε ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές με τη μορφή συσκευών συζευγμένων με φορτίο καθώς και ηλεκτροσκοπίων που αναγνωρίζουν τον στατικό ηλεκτρισμό.