Singkatnya, prinsip kerja sel surya didasarkan pada efek fotolistrik semikonduktor. Ketika sinar matahari menyinari bahan semikonduktor, energi foton diserap oleh bahan tersebut, menarik elektron untuk melompat dari pita valensi ke pita konduksi. Proses ini menciptakan pasangan lubang-elektron. Elektron dan lubang ini mengalami serangkaian pergerakan kompleks di dalam sel, akhirnya dikumpulkan dan diubah menjadi keluaran energi listrik.
Secara spesifik, penyerapan cahaya merupakan titik awal pengoperasian sel surya. Setelah atom dalam bahan semikonduktor menyerap energi foton, jika energi foton melebihi celah pita semikonduktor, elektron pada pita valensi akan melompat ke pita konduksi, meninggalkan lubang, sehingga membentuk pasangan lubang-elektron. Sebagai contoh silikon, celah pitanya kira-kira 1,12 eV, artinya ketika energi foton lebih besar dari nilai ini, elektron dalam silikon dapat menyerap energi dan melompat.
Berikutnya adalah pembentukan-medan listrik bawaan. Pada antarmuka antara semikonduktor tipe P-dan tipe N-, karena perbedaan konsentrasi pembawa antara kedua semikonduktor, medan listrik bawaan dihasilkan. Arah medan listrik ini dari semikonduktor tipe N-ke semikonduktor tipe P-, memainkan peran penting dalam pemisahan pasangan lubang-elektron.
Pada tahap pemisahan dan pengangkutan muatan, pasangan lubang-elektron yang dihasilkan dalam iradiasi cahaya dipisahkan secara efektif oleh-medan listrik yang ada di dalamnya. Elektron didorong ke arah sisi semikonduktor tipe N-, sedangkan lubang didorong ke sisi semikonduktor tipe P-, sehingga masing-masing bergerak ke arah kedua ujung sel. Pembawa muatan ini mengalir melalui pita konduksi dan valensi semikonduktor, melalui sirkuit eksternal, ke beban, membentuk arus.
Terakhir, ada tahap keluaran daya. Ketika sel surya dihubungkan ke beban eksternal (seperti resistor atau alat), aliran pembawa muatan ini di sirkuit eksternal memberikan daya ke beban. Tegangan dan arus keluaran sel surya dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain sifat bahan semikonduktor, intensitas cahaya, dan suhu.
Intensitas cahaya berkaitan erat dengan arus keluaran. Ketika intensitas cahaya meningkat, jumlah pasangan lubang-elektron yang dihasilkan oleh sel surya meningkat, sehingga menyebabkan peningkatan arus keluaran. Namun perubahan suhu juga mempengaruhi kinerja sel surya. Ketika suhu naik, konduktivitas bahan semikonduktor secara bertahap menurun, yang sampai batas tertentu mempengaruhi besarnya tegangan dan arus keluaran.