在纯净材料，如本征半导体中，无时无刻不在因物质的热运动产生新的电子空穴对，同时也产生电子和空穴的复合。在热平衡的条件下，材料中电子空穴对的数量保持恒定。当材料吸收光能时就会产生新的电子空穴对，从而打破热平衡状态。这些新的电子空穴对将维持一段时间，称为盈余载流子生命周期（Excess Carrier Lifetime）。盈余载流子的存在体现为材料的光导性，光敏电阻就利用了这一特性。但是应该注意到的是：光的吸收无论产生多少电子和空穴，这些载流子的主要运动形式仍然是随机的热运动，并不能产生定向移动而产生电流和电压。为了实现光能转化为电能，必须找到能使电子和空穴定向移动的机制，而这一机制就是半导体的pn结。
下面以单晶硅光伏电池为例对光伏电池把光能转换成电能的原理作一简述。
在纯净的本征硅晶体中，四价的硅原子彼此之间通过4个共价键连接而形成晶体结构，因激发而产生的自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入杂质元素，那么它们就成为杂质半导体，从而具有新的特性。
如果掺入磷、砷或者锑等五价元素，这些元素原子的5个价电子中的4个与周围硅原子形成共价键，第5个电子很容易脱离原子核而形成自由电子，同时使原子本身成为不能移动的正离子。这样在杂质半导体中产生大量与杂质成分成比例的自由电子，导致材料中自由电子数量大大超过空穴而成为主要的载流子（又称多子），形成n型半导体。
如果掺入硼、铝、镓或者铟等三价杂质元素，这些元素的原子的3个价电子与周围的硅原子只能形成3个共价键，而缺少的一个共价键很容易捕捉电子而形成负离子，结果在晶体中产生大量空穴，使材料中的空穴数量大大超过自由电子从而成为主要载流子（多子），形成p型半导体。
需要注意如下几点：
1）杂质半导体与本征半导体不同之处在于其载流子有多数载流子（主载流子）和少数载流子之分，两种杂质半导体的区别在于主载流子的不同；
2）杂质元素在提供电子或空穴后产生的离子由于共价键的束缚是不能移动的；
3）无论n型半导体还是p型半导体，它们内部的电荷是平衡的，即正负电荷数量相等。(www.xing528.com)
把这两种杂质半导体相接，就会产生对半导体技术和应用最重要的机制之一——pn结。该机制的形成可简述如下：
1）两种半导体中电子和空穴浓度的差别将导致如下过程：n型半导体中的电子向p型半导体扩散并与其空穴复合；而p型半导体中的空穴则向n型半导体扩散并与其电子复合；
2）由于上述扩散导致在界面两边主载流子浓度下降，形成由不能移动的带电离子组成的空间电荷区（Space Charge Layer），即如图2-4所示在n区一侧出现正离子区，而在p区一侧出现负离子区。空间电荷区形成一个由n区指向p区的内电场；
3）扩散的继续进行将导致空间电荷区的加宽和内电场的增强。注意内电场的方向具有阻碍主载流子通过pn结扩散的作用，因此最终主载流子通过pn结的扩散和电场的阻碍达到平衡，空间电荷区的宽度和内电场的强度最终达到稳定。
在无外部因素影响的稳定状态下，空间电荷区载流子数量极少，因此又被称为耗尽层。稳定状态下空间电荷区的宽度和电位差均达到恒定值，而这些恒定值的大小主要由材料特性（如掺杂浓度）所确定。
图2-4 pn结的形成
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