光伏電池的物理機(jī)理與經(jīng)典的PN結(jié)二極管非常類(lèi)似。當(dāng)結(jié)吸收光時(shí)，被吸收的光子轉(zhuǎn)換成材料的電子一質(zhì)子系統(tǒng)，并產(chǎn)生載流子，分散在結(jié)中。載流子可能是電解液中的電子一離子對(duì)，也可能是固體半導(dǎo)體材料中的電子一空穴對(duì)。結(jié)中的載流子產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)梯度，被電場(chǎng)加速，并通過(guò)外電路形成環(huán)流。電流的二次方與電路中電阻的乘積就是轉(zhuǎn)換得到的電功率。剩余的光子功率則會(huì)使得電池的溫度升高，并散發(fā)到環(huán)境中。
電氣負(fù)荷圖光伏效應(yīng)將光子能量轉(zhuǎn)換成PN結(jié)兩側(cè)的電壓光伏電動(dòng)勢(shì)的來(lái)源是兩種相互絕緣的材料中電子的化學(xué)電勢(shì)差，稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。當(dāng)兩種材料結(jié)合到一起時(shí)，結(jié)就會(huì)達(dá)到一個(gè)新的熱動(dòng)態(tài)平衡。這種平衡只有在兩種材料中費(fèi)米能級(jí)相等的情況下才能實(shí)現(xiàn)。電子從一種材料流向另一種材料，直到兩者間建立了一定的電壓差，具有的電動(dòng)勢(shì)與初始的費(fèi)米能級(jí)差相等。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)著光電流在光伏電路中的流動(dòng)。
