A napelem-cella működéséhez kattintson a képre
A napelem vagy fotovillamos elem (amit a photo-voltaikus kifejezésből PV elemnek is neveznek), olyan félvezető eszköz, amely (leggyakrabban) a napfény energiáját villamos energiává alakítja. De bármilyen más olyan fényforrás is alkalmas a napelem működtetéséhez, amelynek az energiája elegendően nagy. A napelem működése a dióda működésénél leírtak ellentettjének tekinthető.
A napelem tehát egy n- és egy p-rétegű félvezető anyagból álló eszköz. Az p-réteg van alul, a sokkal vékonyabb n-réteg van felül. Az n-réteget éri a napfény. A Napból érkező elektromágneses hullámegységek, a fotonok, a p-n-réteg határán, azaz a zárórétegben, gerjesztik az elektronokat, amely következtében delokalizált elektron és mozgékony lyuk párok keletkeznek. A zárórétegben kialakult belső elektromos mező térerősség-vektora az n-rétegtől a p-réteg irányába mutat. A napelem elrendezésében fentről lefele, amint az ábra is mutatja.
A térerősség-vektor iránya definíció szerint megegyezik az elektromos mezőben a pozitív töltésre ható elektromos (Coulomb-) erő irányával. Az elektronra tehát ezzel ellenétes irányú elektromos erő hat.
Ily módon a napelemben a belső elektromos tér a lyukakat „lefele” mozgatja a p-rétegen keresztül, amíg az elektronokat felfele mozgatja az n-rétegen keresztül a külső áramkör irányába. Ennek köszönhetően jön létre a feszültség a fogyasztó (lámpa) kivezetésein. Az elektron-lyuk párok rekombinációja során felszabadult energia hővé alakul.
A legnagyobb mennyiségben előállított napelem szilíciumalapú. A szilícium napelemek hatásfoka jelenleg 11-18% közötti, a legkorszerűbb – egykristályos – napelemek 25%-os hatásfoka már csúcsnak számít. Ezekben a szilícium lehet monokristályos vagy polikristályos. A monokristályos hatásfoka a jobb.
A napelem áramköri jele
Napelem alapanyaga lehet még:
– Gallium-arzenid: ebből akár 8 p-n-réteget is egymásra építenek.
– Amorf szilícium: hatásfokuk csak 5-8% .
– Kadmium-tellurid, réz-indium-diszelenid, réz-indium-gallium-szelenid: hatásfokuk kevesebb, mint 15%.
– Organikus napelem technológiák: szerves festékek, mesterséges félvezető tulajdonságú molekulaláncok (dye-sensitised cells, DSC). A fotoszintézishez hasonló mechanizmus, csak a zöld klorofil helyett jellemzően vöröses, fényelnyelő festékréteg nyeli el a fotonokat. Hatásfoka csak 2-4%.
– Egyéb szerves anyagok (polimer): olcsók, de hatásfokuk csak 2-5%.
– Szerves-szervetlen perovszkitek (CaTiO3 képletű kalcium-titanát oxidásvány): kísérleti teljesítményük elérte a 20%-ot. – A jövő reménysége a nanotechnológia.



A hagyományos napelemek gyártásának nehézségei:[1]
A szilíciumot nagy tisztaságú kvarchomokból (SiO2) nyerik 1800° C hőmérsékleten. A folyamat végén 98 %-os tisztaságú folyékony szilíciumot állítanak elő. Ezt az anyagot 99,999 999999999%-os tisztaságúra kell alakítani. A tiszta folyékony szilíciumot szennyezik a megfelelő elemmel. Általában foszfort használnak az n-típusú és bórt a p-típusú szennyezéshez.



A napelem hatásfokának külső befolyásoló tényezői:
A napfény hasznosítható maximális energiamennyisége Magyarországon, nyáron délben = 1000 W/m2 .
Napsütéses órák száma: 1900-2200 óra/év.
A besugárzott (kinyerhető) energia mennyisége Magyarországon 1300 kWh/m2/év.
 
A fény beesési szögére:
-Új telepítési trend a kelet-nyugati tájolás.
Jobb területi lefedettség: 75%-kal nagyobb villamos teljesítmény, 35%-kal több villamos áram.
Kelet-nyugati tájolás
Kétoldalas napelem (felső-hátsó oldal) plusz 20-30% áramtermelés érhető el
Napelem teljesítménye, illetve energiatermelése (2018): 300 Watt  (1,6×1 m: 1 kW) – 1100 kWh/év. Helyigény : 5,5 m2  
 
Áramtermelés növelésének lehetséges útjai:
1. Összetett, többrétegű napelem cellák (multijunction): akár több, mint 20 réteg.
2. Fókuszálás (fényérzékeny felület 1/20-ra csökkentése)
3. Napkövetés
4. Hibrid kollektor PVT (PhotoVoltaics/Thermal) 
Hibrid megoldás: napelem és napkollektor

A napelem cella készítéséhez jellemzően felhasznált anyagok:
– szilícium
– felület lúgos vagy savas maratása
– foszfor, bór
– fém-oxidok
– visszaverődést gátló bevonatra: leggyakrabban a titán-dioxid
legfelső része az áramelvezető kontaktusrács: ezüst vagy réz
alsó felére: ezüst vagy alumínium
– jégesőnek is ellenálló, edzett üveg, a rozsdamentes acél, az alumínium vagy az UV sugárzás álló solar-kábelek

Egyéb eszközök az előállított elektromos energia felhasználásához:
– inverter
– akkumulátor
– az elektromos energiát mérő műszer