Po połączeniu dwóch rodzajów półprzewodników wytwarza się złącze p-n ( Rys. 1 ) o specyficznej charakterystyce energetycznej. Jest to spowodowane nadmiarem elektronów swobodnych w półprzewodniku typu n i dziur w półprzewodniku typu p. Po ich połączeniu następuje przemieszczenie elektronów do półprzewodnika typu p, a dziur do półprzewodnika typu n, co powoduje zaburzenie równowagi ładunkowej i wytworzenie różnicy potencjałów.

Dostarczenie energii w postaci kwantów promieniowania do atomów sieci krystalicznej (w zależności od przerwy energetycznej) może spowodować przeniesienie elektronów do pasma przewodzenia [1]. Aby ten proces nastąpił, kwant promieniowania \( h\nu \) musi posiadać energię większą niż przerwa energetyczna \( E_{g} \) ( \( h\nu >E_{g} \)) ( \( h \) – stała Plancka, \( \nu \) – częstotliwość).
Ekscyton może się rozpaść na ładunki pod wpływem temperatury lub pola elektrycznego. Ekscyton może przemieszczać się w półprzewodniku aż trafi na obszar, w którym występuje pole elektryczne. Pole elektryczne występujące na złączu p-n umożliwia rozdzielanie ładunków. Ładunki dodatnie gromadzą się w półprzewodniku p, a ujemne w półprzewodniku typu n.

Absorpcja światła może zachodzić w obszarze typu n i typu p. Ładunki powstałe w wyniku rozpadu ekscytonu przemieszczają się w kierunku elektrod. Po podłączeniu odbiornika do elektrod popłynie przez niego prąd elektryczny. Charakterystykę prądowo-napięciową takiego złącza półprzewodnikowego przedstawiono na Rys. 2. Jeżeli takie złącze nie będzie oświetlone, otrzymana zostanie charakterystyka I(U) tzw. ciemna, bez oświetlenia (można powiedzieć zwykła charakterystyka diodowa). Jeżeli zaś złącze p-n zostanie oświetlone, uzyska się charakterystykę I(U) oświetlonego ogniwa słonecznego tzw. charakterystykę jasną.

Ilość zaabsorbowanej energii światła zależna jest między innymi od wielkości przerwy energetycznej ( Rys. 3 ). Wielkości przedstawione w tabeli to maksymalna ilość energii promieniowania słonecznego (w \( \% \)), jaka może być zaabsorbowana przy określonej przerwie energetycznej. Jeżeli przerwa jest większa od 4 eV, żadna część promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi nie zostanie zaabsorbowana, bo kwant promieniowania słonecznego ma energię niższą niż 4 eV (patrz rysunek widma promieniowania słonecznego).

Założono tutaj, że promieniowanie słoneczne w obszarze od 300 nm do 2500 nm stanowi \( 100\% \) promieniowania. Na przykład, półprzewodnik z przerwą energetyczną 1,03 eV może maksymalnie zaabsorbować \( 81\% \) energii słonecznej docierającej do ogniwa.

Konwersję energii światła słonecznego na energię elektryczną odbywa się w kilku procesach fizycznych przedstawionych na Rys. 4. Po zaabsorbowaniu światła następuje kreacja ekscytonu, który następnie ulega rozpadowi na ładunki. Ładunki przemieszczają się w kierunku elektrod gdzie następuje ich gromadzenie.
Każdy z tych procesów obarczony jest stratami wynikającymi z niedoskonałości urządzenia [2].
Wpadające kwanty promieniowania świetlnego zostają częściowo zaabsorbowane przez materiał półprzewodnikowy, część promieniowania zostaje odbita od powierzchni diody, a pozostała nie zaabsorbowana ulega transmisji.
Zaabsorbowany kwant promieniowania powoduje powstanie ekscytonu ( Rys. 4 ), który może przemieszczać się w materiale półprzewodnikowym, ale może także ulec anihilacji, zamieniając się w ciepło. Ekscyton ulega rozpadowi tworząc swobodne ładunki dodatnie i ujemne. Ładunki przemieszczają się do elektrod. W trakcie tego procesu występują straty związane z rekombinacją ładunków, ograniczeniem ruchliwości oraz oporem na granicy półprzewodnik elektroda.

Niektóre ze strat można wyeliminować w trakcie konstrukcji ogniwa fotowoltaicznego, dlatego nadal trwają prace mające na celu podniesienie efektywności konwersji energii promieniowania słonecznego.
Materiały na ogniwa fotowoltaiczne powinny posiadać szereg właściwości takich jak:

• wysoka absorpcja promieniowania słonecznego w jak najszerszym obszarze widma (tabela na Rys. 4 ),
• kreacja jak największej liczby ekscytonów,
• duża ruchliwość ładunków elektrycznych,
• łatwy transport ładunków do elektrod.

Dane dotyczące wzrostu efektywności paneli fotowoltaicznych wyprodukowanych z użyciem nowych lub zmodyfikowanych materiałów są publikowane corocznie przez NREL (zob. rozdział: 5.2 Zmiany efektywności konwersji ).