Az emberiség már évezredekkel az elektromosság felfedezése előtt rájött arra, hogyan lehet a napsugárzás energiáját az épületekben hőtermelésre felhasználni. Az ókori népek úgy tájolták a lakóházaikat, hogy a déli napsütés azokat télen is melegíthesse. A passzív napfűtés mellett nyáron a napsugárzás energiáját a víz elpárologtatásával hűtésre is képesek voltak használni. Napsugárzásból közvetlenül elektromos áramot előállítani azonban először csak 1839-ben sikerült, méghozzá Edmond Becquerel francia fizikusnak 19 éves (!) korában. De több mint egy évszázadot kellett várni arra, hogy a modern szilíciumalapú napelemek őse megszülethessen. A napelem félvezetőkből áll, amelyben a napfény energiáját hordozó fotonok hatására elektronok gerjesztődnek, és a szabaddá vált elektronok a pozitív, a helyükön képződő pozitív töltésű „lyukak” pedig a negatív pólus felé vándorolnak, így jön létre az elektromos tér és a feszültség. A napelemek többségét olvasztott nagy tisztaságú szilíciumból kristálynövesztéssel hozzák létre, majd vékony lapokra szeletelik. A napelem szerkezetét tekintve lehet polikristályos, amelynek az előállításához ugyan kevesebb energia szükséges, de a ráeső napfény energiájának legfeljebb 18%-át képes hasznosítani. A drágább változat a monokristályos napelem, ami akár 20%-os hatékonyságot is elérhet, cserébe a gyártása jóval több energiát emészt fel. Az olcsón és kevesebb energia ráfordításával előállítható vékonyfilmes napelemek legfeljebb 8%-os hatásfokot tudnak, és sokkal rövidebb élettartamúak. A két utóbbi típus kombinációjaként kifejlesztett úgynevezett hibrid napelemek a hatékonyság szempontjából a legígéretesebb megoldásnak tűnnek. A hatásfok további növelésének azonban fizikai törvények szabnak határt (maximum 33%), a technológiai fejlesztések ezt legfeljebb csak megközelíteni tudják. Tehát az energetikában szó sem lehet arról, mint a számítástechnikában, ahol a számítási sebesség másfél évente megduplázódik (Moore-törvény). A napelemek névleges teljesítményét wattban adják meg, ez az elérhető legnagyobb teljesítményre vonatkozik 25 °C hőmérsékleten. Ezt a teljesítményt a hűvös napsütéses napokon a déli órákban lehet megközelíteni. Mivel azonban a napelemek szilíciumcellái sötét színűek, napsütés hatására erősen felmelegszenek, és ilyenkor hatásfokuk számottevően romlik. Egy tetőn elhelyezett napelem hőmérséklete nyáron a 75 °C-ot is elérheti, ilyenkor hatékonysága akár 30%-kal is csökken. Ezért van az, hogy a napelemek pillanatnyi áramtermelése májusban és szeptemberben a legnagyobb, nem a nyári hónapokban, amikor gyakran túlmelegszenek. Az egy négyzetméterre jutó napsugárzási energia mennyiségét figyelembe véve egy 500 megawatt névleges teljesítményű napelemparkhoz Magyarországon körülbelül 1000 hektárnyi (10 négyzetkilométer) földterület betelepítése szükséges. Tekintettel arra, hogy a napelemek csak akkor termelnek villamos energiát, amikor süt a Nap, éves átlagban Magyarországon a beépített teljesítmény mindössze 15%-os kihasználtságával lehet számolni. Ez elméletben azt jelenti, hogy egy napelem az év 365 napjából mindössze 55 napon át lenne képes a névleges teljesítményét leadni, a többi 310 napon semmit nem termelne. A valóságban persze az energiatermelés erősen időjárásfüggő, szakaszos és csak jelentős bizonytalansággal jelezhető előre. Vagyis egy naperőmű az év folyamán egy azonos névleges teljesítményű hagyományos hőerőmű (amelynek éves rendelkezésre állása 85%-os) által megtermelt energiamennyiségnek csak a 17%-át tudja előállítani. A naperőművek teljesítménye korlátozottan szabályozható, csak csökkenteni lehet a termelésüket. A szabályozásból és szakaszos működésből adódó további jelentős hátrány, hogy a villamosenergia-termelésben a napelemek névleges teljesítményével megegyező tartalék erőművi kapacitások készenléti üzemben tartásáról gondoskodni kell. Ezek többnyire gyorsan indítható földgázüzemű erőművek, amelyeknek a gyakori újraindítások és leállítások, a részleges terhelésen történő üzemeltetés nem tesznek jót, ezért a berendezéseik hamarabb tönkremennek, gyakoribb karbantartást igényelnek. Az úgynevezett teljesítménykiegyenlítési igény csökkentésére csak akkor lenne lehetőség, ha megfelelő kapacitású villamosenergia-tárolási megoldások állnának rendelkezésre. Az energiatároló berendezések előállítása és üzemeltetése azonban ugyancsak rendkívül anyag- és energiaigényes. A jelenlegi technológiai szinten egy napelemes rendszer mindössze másfél nap alatt megtermelt energiamennyiséget tárolni képes akkumulátorral együtt a teljes élettartamára vonatkozóan negatív energiamérlegű! Vagyis a rendszer előállítása összességében több energiát emészt fel, mint amennyit a teljes életciklusa alatt megtermelni és tárolni képes. A napelemek előállításához nélkülözhetetlen szilícium ugyan gyakori elem a Földön, de a természetben csak vegyületeiben fordul elő, mert roppant erősen ragaszkodik az oxigénhez és más elemekhez. Hasonlóképpen a napelemek rögzítéséhez és a szükséges elektromos csatlakozások kiépítéséhez jelentős mennyiségű alumíniumra és rézre van szükség, amelyeknek az előállítása szintén roppant energiaigényes folyamat. Becslések szerint, ha a napelemek térnyerése az elképzeléseknek megfelelően folytatódna, akkor 2050-re a napelemek felszereléséhez szükséges szerkezeti anyagok előállítása a világ teljes alumíniumtermelésének 40%-át tenné ki. A napelemek, az inverterek, rögzítőelemek és vezetékrendszerek gyártásához összességében hatalmas mennyiségű energia kell. A naperőművek energiahatékonysági mutatója (az úgynevezett EROI, Energy Return on Investment), ami azt fejezi ki, hogyan viszonyul a teljes életciklus alatt megtermelt energia mennyisége a teljes rendszer gyártásához és felszereléséhez szükséges energia mennyiségéhez, mindössze 1:4. Ez másképp azt jelenti, hogy egy napelem hat teljes éven keresztül (!) csak azt az energiamennyiséget termeli vissza, amelybe gyártása és felszerelése került, és csak utána termel „többletenergiát”, legalábbis globális szempontokat figyelembe véve. Természetesen a felhasználó számára a napelemes rendszer üzembe helyezésének pillanatától termel áramot, azonban a szükséges nyersanyagok bányászatához, a szállításhoz, a gyártáshoz szükséges hatalmas – többnyire fosszilis – energiamennyiséget valahol a Föld egy másik országában előre fel kellett használni.