Fotovoltinis efektas yra procesas, kurio metu elektros srovė sukuriama įtampos pavidalu, kai elektromagnetinė spinduliuotė yra veikiama tam tikros medžiagos. Naudojant saulės elementus, fotovoltinis efektas atsiranda, kai labai trumpi saulės šviesos bangos ilgiai paveikia medžiagą ir elektronai sužadinami. Elektromagnetinė spinduliuotė skleidžiama iš saulės baterijos ir surenkama kitos medžiagos. Dėl šio elektronų išstūmimo susidaro įtampa, sukurianti energiją, kuri gali būti saugoma akumuliatoriaus elemente vėlesniam naudojimui. Įtampai surinkti naudojami du elektrodai, kurie gali būti perduodami į elektros tinklą.
Skirtingi elektromagnetinės spinduliuotės tipai dėl dažnio saulės elementuose sukelia skirtingus poveikio lygius. Matoma šviesa sukuria fotovoltinį efektą, kai ji veikia šarminius metalus, ultravioletinė šviesa sukuria jį kituose metaluose, o nemetalams naudojama ekstremali ultravioletinė šviesa. Pirmą kartą šią koncepciją 1902 m. pastebėjo Philippas Eduardas Antonas von Lenardas, kai jis atrado, kad skirtingos šviesos spalvos, dar vadinamos dažniu, skleidžia skirtingus elektronų lygius. Anksčiau Jameso Clerko Maxwello šviesos bangų teorija teigė, kad spinduliuotės intensyvumas sukurs proporcingą elektronų energiją. Ši nauja teorija paaiškino, kad fotonai buvo atsakingi už elektronų išstūmimo kūrimą ir veikė kaip atskiros dalelės, o ne kaip nuolatinės bangos.
1839 m. fizikas AE Becquerel pripažino saulės šviesos fotovoltinio efekto koncepciją, tačiau jo supratimas buvo ribotas. 1883 m. Charlesas Frittsas sukonstravo pirmąjį saulės elementą, naudodamas seleno puslaidininkį, padengtą plonu aukso sluoksniu. Šis pirmasis saulės elemento panaudojimo efektyvumas buvo tik vienas procentas. Tik 1954 m. Bell Laboratories sukūrė praktišką saulės energijos panaudojimo būdą.
Fotoelektrinio efekto panaudojimo būdas naudojant saulės elementus yra labai paprastas. Iš esmės saulės šviesos fotonai veikia saulės kolektorių ir yra absorbuojami medžiagos. Medžiagoje esantys neigiamai įkrauti elektronai atmušami nuo atomų, kurie vėliau gamina elektrą. Ši situacija valdoma leidžiant elektronams judėti tik viena kryptimi skydelyje, sukeldami atvirkštinį veiksmą, kai teigiamai įkrautos dalelės teka priešinga kryptimi. Vykdant abu šiuos veiksmus, iš elektromagnetinės reakcijos gali būti panaudota nuolatinė elektros srovė.
Fotovoltinis efektas yra būtinas daugeliui šiuolaikinio gyvenimo procesų. Be energijos kūrimo bendriesiems tikslams, saulės elementai yra būtini NASA ir kitų kosmoso agentūrų naudojamiems erdvėlaiviams. Technologijos principai taip pat naudojami skaitmeniniuose fotoaparatuose su įkrovimu sujungtų įrenginių, taip pat elektroskopų, identifikuojančių statinę elektrą, pavidalu.