太陽能電池的發明，依賴於法國物理學家亞歷山大·埃德蒙·貝克勒（1820-1891年）發現的一種稱為光伏效應的現象。它與光電效應有關，光電效應是當光線照射到導電材料上時，電子會從導電材料中彈出。阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955年）因成功運用當時新的量子原理，來解釋這一現象而獲得1921年諾貝爾物理學獎。
愛因斯坦
與光電效應不同，光伏效應發生在兩個半導體板的邊界處，而不是單個導電板。當光線照射時，沒有電子被實際彈出。相反，它們沿邊界累積以創建電壓。當您用導電線連接兩個板時，電流將流入導線中。
愛因斯坦的偉大成就，以及他獲得諾貝爾獎的原因，是認識到從光電板塊中噴出的電子的能量取決於頻率，其大小為波長的倒數，而不是像波理論所預測的那樣，取決於光強度（振幅）。入射光的波長越短，光的頻率越高，射出的電子擁有的能量就越多。同樣，光伏電池對波長敏感，在光譜的某些部分對陽光的反應比其他部分更好。
光電效應原來圖
太陽能波長對電子能源的影響
愛因斯坦對光電效應的解釋有助於建立光的量子模型。每個光束，稱為光子，都是由振動頻率決定的特性能量。光子的能量（E）由普朗克定律計算出：
E = hf，
其中 f 是頻率，h 是普朗克的常數（6.626 × 10^(–34) 焦耳∙秒）。儘管光子具有粒子性質，但它也具有波的特性，對於任何波，其頻率是其波長的倒數（此處用w表示）。如果光速為 c，則 f = c/w，可以修改普朗克定律：
E = hc/w
當光子在導電材料上碰撞時，它們與單個原子中的電子碰撞。如果光子有足夠的能量，它們就會驅逐原子最外層中的電子。然後，這些電子可以自由通過材料循環。根據入射光子的能量，它們可能從材料中完全彈出。
根據普朗克定律，入射光子的能量與其波長成反比。短波長輻射佔據光譜的紫色端，包括紫外線輻射和伽馬射線。另一方面，長波長輻射佔據紅端，包括紅外輻射、微波和無線電波。
陽光包含整個光譜的輻射，但只有波長足夠短的光才會產生光電效應或光伏效應。這意味著一部分太陽光譜的光子可用於發電。可見，光伏發電與陽光的明暗程度無關，只要有足夠短的波長光就能滿足發電要求。眾所周知，高能紫外線輻射可以穿透雲層，在多雲天，意味著太陽能電池應也能發揮作用，事實上也是如此。
功函數和帶隙
光子必須具有最小能量值，以激發足夠的電子，使其脫離軌道，並允許它們自由移動。在導電材料中，這種最小能量稱為功函數，並且每種導電材料都不同。與光子碰撞釋放的電子的動能等於光子的能量減去功函數。
在光伏電池中，採用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結。在實踐中，通常使用單晶體材料（如硅），並使用不同的化學物質摻雜來製造這種結。例如，用硅晶體摻雜少量銻元素形成N型半導體，用硅晶體摻雜少量硼形成了P型半導體。被撞擊出軌道的電子聚集在PN結附近，並增加了穿過PN的電壓。將電子撞擊出軌道並進入傳導帶的閾值（臨界值）能量稱為帶隙，它類似於功函數。
最小波長和最長
要想在太陽能電池的PN結中產生電壓，入射輻射必須超過帶隙能量。對於不同的材料，這是不同的。對於硅來說是1.11電子伏特，它是太陽能電池最常用的材料。一電子伏特 = 1.6 × 10^(-19 )焦耳，因此帶隙能量為 1.78 × 10^(-19) 焦耳。重新整理普朗克（ Plank） 方程，求解波長，就可告訴您對應於此能量的光的波長:
w = hc/E = 1110 納米（1.11 × 10^(-6) 米）
可見光的波長在400至700納米之間，因此硅太陽能電池的帶寬波長在接近紅外波段。任何波長較長的輻射，如微波和無線電波，都缺乏從太陽能電池發電的能量。
太陽能發電原理簡圖
任何能量大於1.11 eV 的光子都可以將電子從硅原子中驅逐出，並將其送入傳導帶。然而，在實踐中，極短波長的光子（能量超過3 eV）將電子從傳導帶中釋放出來，使它們無法正常形成可控的電流。太陽能電池板的光電效應能否獲得有用的波長閾值，取決於太陽能電池的結構、其構造中使用的材料和電路特性。
太陽能波長和電池效率
簡而言之，只要波長高於用於製造光伏電池的材料的帶隙，光伏電池對整個光譜的光很敏感，但波長極短的光被浪費掉，這是影響太陽能電池效率的因素之一。另一個是半導體材料的厚度，如果光子必須在材料中長距離傳播，它們會因與其他粒子的碰撞而失去能量，並且可能沒有足夠的能量來驅逐電子。
影響效率的第三個因素是太陽能電池的反射率。一定比例的入射光從光伏電池表面反射，從而不會與光伏電池材料內的電子相接觸，喪失了撞擊電子機會。為了減少反射率的損失並提高效率，太陽能電池製造商通常為電池塗上非反射、吸收光的材料。這就是為什麼太陽能電池通常是黑色的原因。
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