光能量的转换电能是基于称为的现象光伏作用。什么时候半导体材料暴露在光下，光线中的一些光子被半导体晶体吸收，在晶体中产生大量的自由电子。这就是光伏效应产生电能的基本原因。光伏电池是系统的基本单元，其中光伏效应用于从光能产生电力。硅是用于构造光伏电池的最广泛使用的半导体材料。硅原子有四个价电子。在固体晶体中，每个硅原子与另一个最近的硅原子共享四个价电子，从而在它们之间形成共价键。这样，硅晶体就得到了一个四面体晶格结构。当光线照射在任何材料上时，有一部分光被反射，一部分光通过材料传播，其余部分被材料吸收。
当光落在硅晶体上时也会发生同样的事情。如果入射光的强度足够高，足够数量的光子会被晶体吸收，而这些光子反过来又会激发共价键中的一些电子。这些被激发的电子然后获得足够的能量从价带迁移到导带。由于这些电子的能级在传导带内，它们离开共价键，在每个被移走的电子后面的键上留下一个空穴。这些被称为自由电子在硅的晶体结构中随机移动。这些自由电子和空穴在产生电力中起着至关重要的作用光伏电池。这些电子和空穴因此被称为光产生的电子和空穴分别。这些光产生的电子和孔单独不能在硅晶体中产生电力。应该有一些额外的机制来做到这一点。
当将诸如磷的五价杂质加入到硅中时，通过具有四个邻阳离子原子的共价键共用每个五价磷原子的四种价电子，第五个价电子不会有机会产生共价键。
这第五个电子与母原子相对松散地结合在一起。即使在室温下，晶体中可用的热能也足够大，足以将这些相对松散的第五电子从它们的母体磷原子中分离出来。而这第五个相对松散的电子与母体磷原子分离，磷原子不移动正离子。上述离合的电子成为自由的，但在晶体中没有任何不完全的共价键或空穴可被重新结合。这些来自五价杂质的自由电子总是易于在电晶体中传导电流半导体。虽然存在有自由电子的数量，但仍然物质是电中性的，因为锁定在晶体结构内的正磷离子的数量正常等于自由电子的数量。在半导体中插入杂质的过程称为掺杂，掺杂杂质被称为掺杂剂。赋予半导体晶体第五自由电子的五价掺杂剂称为供体。供体杂质掺杂的半导体称为n型或负类型半导体，因为有大量的自由电子通过性质负荷。
当代替五价磷原子时，将产生像硼这样的三价杂质原子，以将形成为与半导体的半导体晶体相反的半导体。在这种情况下，晶格中的一些硅原子将被硼原子代替，换句话说，硼原子将占据晶格结构中的替换硅原子的位置。硼原子的三个算子电子将与三个邻居硅原子的算子电子配对，以产生三种完全共价键。对于这种配置，对于每个硼原子将存在硅原子，第四个价电子将不会发现任何邻居算子电子以完成其第四个共价键。因此，这些硅原子的第四个价电子保持不存在并表现为不完全粘合。因此，在不完全粘合中将缺乏一个电子，因此不完整的粘合总是吸引电子以实现这种缺乏。因此，电子存在空位。
这个空位在概念上叫做正空穴。在掺有杂质的三价半导体中，大量的共价键不断断裂，形成其他不完全共价键。当一个键被打破，它就会产生一个洞。当一个键完成时，它上的洞就消失了。这样，一个洞似乎消失了另一个邻近的洞。由于这些空穴在半导体晶体内部有相对运动。这样看来，可以说空穴也可以像自由电子一样在半导体晶体中自由移动。由于每个空穴都可以接受一个电子，因此三价杂质称为受体掺杂剂，掺杂了受体掺杂剂的半导体称为p型或正型半导体。
在n型半导体主要是自由电子携带负电荷和P型半导体主要主要的孔载有正电荷，因此n型半导体中的自由电子和p型半导体中的自由孔分别称为n型半导体和p型半导体中的多数载流子。
n型和p型材料之间总是存在势垒。这种势垒对于光伏或光电器件的工作是必不可少的太阳能电池。当n型半导体和p型半导体相互接触时，n型半导体接触面附近的自由电子得到大量p型材料的相邻空穴。因此，n型半导体中接触面附近的自由电子跃迁到p型材料的邻近空穴中重新结合。在p型半导体中，不仅是自由电子，而且n型材料接触面附近的价电子也会从共价键中出来，与更多附近的空穴重新结合。由于共价键的断裂，在n型材料的接触面附近会产生大量的孔洞。因此，在接近接触区，p型材料的孔由于复合而消失，而n型材料的孔则出现在接近相同接触区。这相当于空穴从p型半导体向n型半导体的迁移。所以一旦一个n型半导体和一个p型半导体接触n型的电子就会转移到p型p型的空穴也会转移到n型。这个过程非常快，但不会永远持续下去。一段时间后，沿接触面靠近接触点的p型半导体中会有一层负电荷(过量电子)。 Similarly, there will be a layer of positive charge (positive ions) in the n-type semiconductor adjacent to contact along the contact surface. The thickness of these negative and positive charge layer increases up to a certain extent, but after that, no more electrons will migrate from n-type semiconductor toP型半导体。这是因为，当n型半导体的任何电子试图在p型半导体上迁移时，它面临着足够厚的正离子层n型半导体它会落在哪里而不会穿过它。类似地，空穴将不再从p型半导体迁移到n型半导体。在p型半导体中，当空穴试图穿过负层时，将与电子重新结合，不再向n型区域移动。
换句话说，在n型侧的p型侧和正电荷层中的负电荷层一起形成一个屏障，其与电荷载流子迁移到另一侧相对。类似地，p型区域中的孔被保留从进入n型区域。由于正负带电层，将存在横跨该区域的电场，并且该区域称为耗尽层。
现在让我们来看看硅晶体。当光线照射在晶体上时，一部分光被晶体吸收，因此，一些价电子被激发并从共价键中出来，产生自由电子-空穴对。
如果灯亮了n型半导体来自这种光产生的电子孔对的电子不能迁移到P区，因为它们不能由于耗尽层的电场排斥而越过电位屏障。同时，光产生的孔由于耗尽层的电场的吸引而过耗尽区域，其中它们重新组合电子，然后在这里缺少电子的缺失是由p区的价值的补偿，这使得这使得这使得这使得在P域中有很多孔。由于这种光产生的孔被移位到它们被捕获的P区域，因为一旦它们到达P区，由于潜在屏障的排斥，就不能能够回到n型区域。
当负电荷(光产生的电子)被困在一边，正电荷(光产生的空穴)被困在电池的另一边，就会有一个潜在差异在细胞的两边之间。这种电位差通常是0.5 V。这就是为什么光伏电池或太阳能电池产生电位差。
