光伏發電，是利用半導體材料的“光生伏特效應”，將光能轉化為電能給負載供電的過程。其物質基礎是半導體材料。顧名思義，半導體材料是導電性能介于是導體(如金屬)和絕緣體之間的材料，該材料能夠吸收太陽光中的光子，體內產生負電荷(電子)和正電荷(學術上稱為空穴，按帶正電的粒子理解即可)，但正負電荷會在極短的時間聚合在一起，將得到的光能釋放。因此還需要一種結構，使光照產生的正電荷和負電荷分離，使它們在半導體的兩端積累(伴隨電壓的生成)，此時在半導體兩側印制電極，再用導線連接負載(如燈泡)形成電路，電路中就會有電流通過，為負載供電。這種結構便是——PN結。

以半導體Si(硅)為例，在其中摻入高價態的磷原子，Si中就會有一些能自由運動的正電荷，稱為N型Si;在其中摻入低價態的硼原子，Si中就會有一些能自由運動的負電荷，稱為P型Si。使N型Si和P型Si連在一起，在連接的界面處正負電荷中和，剩下帶電的磷離子和硼離子，他們能起到分離光照產生的正電荷和負電荷的作用(就像半透膜)，該界面區便稱為PN結。

因此，當光照在上述N型和P型Si的連接體時，N型Si和P型Si內部都會產生正電荷和負電荷(但正負電荷之間仍相互吸引束縛在一起)，它們在一定時間內隨機運動到半透膜PN結附近，由于PN結的作用，正電荷被送往P區，負電荷被送往N區，使P區和N區分別帶正電荷負電，形成電壓。正電荷和負電荷的產生、分離和收集是光生伏特效應的三大關鍵過程。

除了Si、Ge這樣的單質半導體，還有化合物半導體(GaAs、Cu2Se等)乃至有機半導體材料，它們都可以制備成太陽能電池。因08年左右多晶硅材料的價格高漲，各種薄膜太陽能電池(CdTe、CIGS、染料敏化太陽能電池等)的研究一度火熱，但隨著硅材料價格回歸理性，而薄膜電池存在成本和穩定性等劣勢且轉換效率遇到瓶頸，硅(單晶硅和多晶硅)太陽能電池基本上占領了商業化市場，取得了轉換效率與成本的平衡。

晶硅電池又分為單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅和多晶硅太陽能電池都采用半導體材料Si以及相同的電池片結構(如上圖)：一般P型Si作為基底，表面擴散磷形成PN結，外面再鍍一層減反射膜。不同之處在于單晶硅片切割自單晶硅棒、多晶硅片切割自多晶硅鑄錠。硅棒采取類似藍寶石等單晶材料的生長方式，而Si錠的工藝路線類似鋼鐵材料，前者明顯較后者更精致，得到的半導體雜質、缺陷更少，相應的成本也更高(但近些年，單晶硅在后續切片過程中的成本優勢基本抵消了多晶硅鑄錠的成本優勢)。單晶的特點是原子排列短程有序、長程也有序，而多晶僅短程有序，存在晶界。

陽能電池的關鍵結構是PN結，PN結品質的好壞直接決定電池光電轉換能力的高低。單晶硅片因具有完美的晶體結構，易制備高品質的PN結，而多晶硅片由于內部晶界、缺陷、雜質等的大量存在，會嚴重影響pn結本身的品質。導致pn結內部旁路的增加，電池外在電性能則表現為開路電壓，填充因子的下降，并聯電阻的降低。

另一方面，單晶硅片完美的晶體結構，極低的缺陷密度和雜質含量，使其具有更高的少子壽命，即光照產生的正電荷和負電荷具有較長的壽命，在被PN結分離前及輸運至電極的過程中不會消失(被雜質、缺陷捕獲)，而后被分離的正負電荷，經由電極收集輸出，形成電流。電池外在電性能表現為電流的上升，效率的提高。

光伏制造產業的核心技術就是組件的轉換效率。根據2015國際光伏技術路線圖，單晶在轉換效率方面優勢更明顯，尤其PERC技術的量產，對于單晶效率的提升顯著。另外，從產業技術趨勢來看，單晶技術路線相對其他技術路線擁有更高的轉換效率和更大的效率提升空間，未來技術進步的實現方式也以單晶為主。