硅原子的外层电子壳层中有4个电子。受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。
在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。
在硅晶体中每个原子有4个相邻原子，并和每一个相邻原子共有2个价电子，形成稳定的8原子壳层。
从硅的原子中分离出一个电子需要1.12eV的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。
如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。
所以一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为n型半导体。
在n型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子-空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的，
所以在n型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子;而电子数目很多,称为多数载流子。
同样如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入3价杂质的4价半导体，也称为p型半导体。
对于p型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。
若将p型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为 p-n 结。在 p-n 结两边，由于在p型区内，空穴很多，电子很少；而在n型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。
在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。
同时在p型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的搀入杂质的离子。
同样在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，而电子则由浓度大的n区要向浓度小的p区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。
同时在n型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。
于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为空间电荷区。这就是 p-n 结。在 p-n 结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，因此在 p-n 结内，存在一个由n区指向p区的电场，称为内建电场（或称势垒电场)。
太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。
光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。
在n区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p区，而光生电子（多数载流子）则被留在n区。
p区中的光生电子也会向 p-n 结边界扩散，并在到达 p-n 结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p区。
因此在 p-n 结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势。这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。
如果使太阳电池开路，即负载电阻， RL =∞ ，则被 p-n 结分开的全部过剩载流子就会积累在 p-n 结附近，于是产生了等于开路电压VOC的最大光生电动势。
如果把太阳电池短路，即RL = 0，则所有可以到达 p-n 结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流ISC。
