光電效應(yīng)當電子從外界獲得能量時將會跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的能階也越高，電子處在較高的能階時并不穩(wěn)定，很快就會把獲得的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為空穴。自由電子可能會因為摩擦或碰撞等因素損失能量，后受到空穴的吸引而復(fù)合。染料分子吸收光子能量后將使半導(dǎo)體中的帶負電的電子和帶正電的空穴分離。例如，硅的外層電子要成為自由電子需要吸收1.1ev的能量，當硅外層電子吸收到的光能量超過1.1ev時將會產(chǎn)生自由電子及空穴

為更有效的利用由電子與空穴來產(chǎn)生電流，因此必須加入電場使自由電子與空穴分離進而產(chǎn)生電流。1產(chǎn)生電場的方式很多如PN接面、金屬半導(dǎo)體接面等，其中1常用的方式為PN接面。提高自由電子濃度常用的方法是在硅中加入少量的五價原子，五價原子的四個價電子與硅鍵結(jié)后剩下一個價電子，使剩下的價電子游離只需要0.05ev，比原來的1.1ev小很多，在室溫超過200度k時即可使所有雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，同樣在硅中加入少量的三價原子可以提高空穴濃度。電子空穴對的數(shù)目越多導(dǎo)電的效果也越好，因為光使得導(dǎo)電效果變好的現(xiàn)象稱之為光導(dǎo)效應(yīng)(photoconductiveeffect)。

擴散的結(jié)果使得接面附近的N型半導(dǎo)體失去電子得到空穴而帶正電，P型半導(dǎo)體失去空穴得到電子而帶負電。因為電荷密度不均因此在接面附近產(chǎn)生電場，如果有自由電子或空穴在電場內(nèi)產(chǎn)生，則會因為受到電場的作用而移動，自由電子向N型半導(dǎo)體移動，而電洞向P型半導(dǎo)體移動，因此這個區(qū)域缺乏自由電子或空穴而稱之為空乏區(qū)。然而如果只是單純的產(chǎn)生自由電子與空穴，將會因為摩擦及碰撞等因素失去能量，最后自由電子會與空穴復(fù)合而無法利用。當光照射在空乏區(qū)內(nèi)將硅原子的電子激發(fā)產(chǎn)生光生電子與空穴對，電子與空穴對會因為電場作用而使電池內(nèi)的電荷往兩端集中，此時只要外加電路將兩端連接即可利用電池內(nèi)的電力