光伏電池的物理機理與經典的PN結二極管非常類似。當結吸收光時，被吸收的光子轉換成材料的電子一質子系統，并產生載流子，分散在結中。載流子可能是電解液中的電子一離子對，也可能是固體半導體材料中的電子一空穴對。結中的載流子產生了電動勢梯度，被電場加速，并通過外電路形成環流。電流的二次方與電路中電阻的乘積就是轉換得到的電功率。剩余的光子功率則會使得電池的溫度升高，并散發到環境中。
       電氣負荷圖光伏效應將光子能量轉換成PN結兩側的電壓光伏電動勢的來源是兩種相互絕緣的材料中電子的化學電勢差，稱為費米能級。當兩種材料結合到一起時，結就會達到一個新的熱動態平衡。這種平衡只有在兩種材料中費米能級相等的情況下才能實現。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，具有的電動勢與初始的費米能級差相等。這個電動勢驅動著光電流在光伏電路中的流動。