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太陽能電池中發生光伏能量轉換，將光能轉化為電能有兩個必要的條件。其一，光源的照射，電池吸收光，從而產生電子-空穴對；其二，由半導體的器件結構將電子-空穴對分開，并使電子流向負極、空穴流向正極，從而產生電流。以上兩點的發生，可以稱作光生伏打效應。

具體來說。首先，我們知道，物質都是由原子組成的，原子由原子核和圍繞原子核旋轉的電子組成。半導體材料處于穩定狀態時，原子核和核外電子緊密結合。當有外界激勵，例如光照射到器件上時，能量大于硅禁帶寬度的光子進入硅中后，會在P區、N區以及耗盡層（空間結構上等同于空間電荷區）中激發出光生電子-空穴對。通俗來講，就是原子核和電子的結合力因光的刺激而降低，電子擺脫了原子核的束縛，成為自由電子。如下圖：

接下來，我們分析這三個區域產生電子-空穴對后，分別會有什么樣的變化。

以下圖為例：

耗盡層：當電子-空穴對在耗盡層中產生后，由N區指向P區的內建電場會立即把光生電子送向N區，將光生空穴推向P區。

N區:當電子-空穴對在N區中產生后，以N區和PN結的交界面來看，由于內建電場的原因，交界面左側空穴濃度低，于是N區的光生空穴便向PN結邊界擴散，一旦達到PN結邊界，又會受到內建電場的作用，在電場力的牽引下做漂移運動，越過耗盡層進入P區。而光生電子則留在了N區。

P區：當電子-空穴對在P區中產生后，以P區和PN結的交界面來看，內建電場導致交界面右側電子濃度低，從而使得P區的光生電子向PN結邊界做擴散運動，到達PN結邊界后，在內建電場力的作用下做漂移運動，越過耗盡層，最終進入N區。同時，P區的光生空穴便留在了原地。

上述的三個運動，會在PN結兩側形成正、負電荷的積累，在N區儲存大量的電子，在P區儲存大量的空穴。進而形成了與內建電場方向相反的光生電場，如下圖：

光生電場使得P區帶正電，N區帶負電，從而N區和P區之間就會產生電動勢，這就是光生伏打效應。當電池接上負載R后，光電流就可以從P區經負載流至N區。負載據此效應就可以得到一定的功率輸出。

這里，我們可以解釋幾個常規的參數。

開路電壓（Uoc）：將上面PN結兩端開路，可以得到一個電動勢，我們稱之為開路電壓。晶體硅電池開路電壓的典型值為0.5-0.6V。

短路電流（Isc）：將外電路短路，則外電路中會有與入射光能量成正比的光電流流過，我們稱之為短路電流。通常來說，照射光的能量越大，電池表面積越大，產生的光生電子-空穴對越多，形成的電流就越大。實際情況中，各區中載流子的產生、復合、擴散和飄逸等運動非常復雜，光生載流子必須在復合前穿過耗盡層，才能對光電流產生貢獻。

填充因子（FF）：填充因子為太陽能電池的最大輸出功率/（Uoc*Isc）計算得來。FF的典型值為0.60-0.85，不會大于1。一般來說，該數值越大，電池性能越好、質量越高。