Lühidalt öeldes põhineb päikesepatarei tööpõhimõte pooljuhtide fotoelektrilisel efektil. Kui päikesevalgus paistab pooljuhtmaterjalile, neeldub materjal footonite energia, mis paneb elektronid valentsribalt juhtivusribale hüppama. See protsess loob elektron-augupaarid. Need elektronid ja augud läbivad raku sees mitmeid keerulisi liikumisi, mis lõpuks kogutakse kokku ja muundatakse elektrienergia väljundiks.
Täpsemalt, valguse neeldumine on päikesepatarei töö lähtepunkt. Kui pooljuhtmaterjalis olevad aatomid neelavad footoni energiat, siis kui footoni energia ületab pooljuhi ribalaiuse, hüppavad valentsribas olevad elektronid juhtivusribale, jättes maha augud, moodustades seega elektron-augupaare. Võttes näiteks räni, on selle ribalaius ligikaudu 1,12 eV, mis tähendab, et kui footoni energia on sellest väärtusest suurem, võivad ränis olevad elektronid energiat neelata ja hüpata.
Järgmine on sisseehitatud{0}}elektrivälja teke. P--tüüpi ja N--tüüpi pooljuhtide vahelisel liidesel tekib kahe pooljuhi kandjate kontsentratsiooni erinevuse tõttu sisseehitatud-elektriväli. Selle elektrivälja suund on N--tüüpi pooljuhist P--tüüpi pooljuhini, mängides otsustavat rolli elektron--augupaaride eraldamisel.
Laengu eraldamise ja transpordi etapis eraldatakse valguse kiiritamisel tekkivad elektron-augupaarid tõhusalt sisseehitatud-elektriväljaga. Elektronid surutakse N--tüüpi pooljuhi poole, augud aga P--tüüpi pooljuhi poole, liikudes seega vastavalt elemendi kahe otsa poole. Need laengukandjad voolavad läbi pooljuhi juhtivus- ja valentsribade välise ahela kaudu koormusele, moodustades voolu.
Lõpuks on väljundvõimsus. Kui päikesepatarei on ühendatud välise koormusega (näiteks takisti või seadmega), annab nende laengukandjate vool välises vooluringis koormusele toite. Päikesepatarei väljundpinget ja voolu mõjutavad erinevad tegurid, sealhulgas pooljuhtmaterjali omadused, valguse intensiivsus ja temperatuur.
Valguse intensiivsus on tihedalt seotud väljundvooluga. Kui valguse intensiivsus suureneb, suureneb päikesepatarei tekitatud elektron-augupaaride arv, mis toob kaasa väljundvoolu suurenemise. Temperatuurimuutused mõjutavad aga ka päikesepatarei jõudlust. Temperatuuri tõustes pooljuhtmaterjali juhtivus järk-järgult väheneb, mis mingil määral mõjutab väljundpinge ja voolu suurust.