光伏电池的物理机理与经典的PN结二极管非常类似。当结吸收光时，被吸收的光子转换成材料的电子一质子系统，并产生载流子，分散在结中。载流子可能是电解液中的电子一离子对，也可能是固体半导体材料中的电子一空穴对。结中的载流子产生了电动势梯度，被电场加速，并通过外电路形成环流。电流的二次方与电路中电阻的乘积就是转换得到的电功率。剩余的光子功率则会使得电池的温度升高，并散发到环境中。
电气负荷图光伏效应将光子能量转换成PN结两侧的电压光伏电动势的来源是两种相互绝缘的材料中电子的化学电势差，称为费米能级。当两种材料结合到一起时，结就会达到一个新的热动态平衡。这种平衡只有在两种材料中费米能级相等的情况下才能实现。电子从一种材料流向另一种材料，直到两者间建立了一定的电压差，具有的电动势与初始的费米能级差相等。这个电动势驱动着光电流在光伏电路中的流动。
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