האפקט הפוטו – וולטאי הוא אפקט של מעבר אלקטרון בחומר חצי מוליך, באזור צומת p-n, מפס הערכיות (Valence Band) לפס המוליכות (Conduction Band). האפקט הפוטו-וולטאי נוצר כתוצאה מבליעת פוטון של אור, על ידי החומר. האנרגיה של הפוטון הפוגע, מעלה את האלקטרון לפס המוליכות, בו הוא יכול לנוע בחומר.
האותיות באנגלית p, מהמילה Positive = חיובי, ו n, מהמילה Negative – שלילי, והמילה צומת (Junction) מתארת את אזור החיבור בין שני האזורים. באזור החיובי (p) יש מחסור באלקטרונים (חורים), באזור n יש עודף באלקטרונים, וכך:
בצומת p-n יש שתי שכבות. כדי להמחיש את המבנה של הצומת, נתייחס לצומת המורכבת מ 2 שכבות של סיליקון, כל אחת עם זיהום (Dopant) מסוג שונה, כדי לשנות את התכונות החשמליות שלה.
לשכבה האחת מוסיפים כמות קטנה (מדויקת), של אחד, או יותר, מהיסודות: בור (Boron), אינדיום (Indium), גליום (Galium), או חומרים דומים, שיש להם 3 אלקטרונים בקליפה חיצונית, לעומת 4 בקליפה החיצונית של הסיליקון. יסודות אלו יוצרים את המטען החיובי של השכבה.
לשכבה השנייה מוסיפים כמות קטנה (מדויקת), של אחד, או יותר, מהיסודות: זרחן (Phosphorous), ארסן (Arsenic), או חומרים דומים, שיש להם 5 אלקטרונים בקליפה חיצונית, לעומת 4 בקליפה החיצונית של הסיליקון. יסודות אלו יוצרים את המטען השלילי של השכבה.
בצומת p-n נוצר, בזמן המגע בין השכבות, כתוצאה מהתארגנות מחדש של האלקטרונים (והחורים) באזור הצומת, הפרש מתחים בין האלקטרודות הנמצאות על הצד החיצוני של כל אחת משתי השכבות.
אור השמש מורכב מפוטונים, שהם יחידות אנרגיה בדידות. רק פוטונים שהאנרגיה שלהם גבוהה מפער האנרגיה של החומר החצי מוליך, יבלעו בחומר, ויעבירו אלקטרון לפס המוליכות.
כאשר פוטונים של אור פוגעים בתא שמש, חלקם נבלע על ידי החומר החצי מוליך, והאנרגיה שלהם מועברת לאלקטרונים בחומר.
האלקטרונים שקיבלו אנרגיה מהפוטון הפוגע, משתחררים מהקשר בו היו קשורים אל האטומים (הופכים להיות אלקטרונים המסוגלים לנוע בחומר). אלקטרונים אלו חוצים את הצומת בין שני החומרים בקלות רבה יותר בכיוון אחד (עקב העובדה שהם נמשכים לצד בו יש מחסור באלקטרונים ונידחים מהצד בו יש עודף אלקטרונים). לכן מקבל צד אחד של הצומת מטען חשמלי שלילי ביחס לצד השני, ולכן נוצר מתח שלילי. נוצרת "סוללה פוטו-וולטאית" היכולה לספק מתח זרם למעגל חיצוני, כל זמן שאור נופל על הצומת.
למעשה, צומת p-n מקובל מאוד באלקטרוניקה, והוא נקרא "דיודה". גם באלקטרואופטיקה יש שימושים נוספים לדיודה, מלבד גלאי אור, גם כמקורות אור: "דיודה פולטת אור" (LED = Light Emitting Diode).