Кристалният силиций е полупроводниковият материал, използван в най-ранните успешни фотоволтаични устройства и продължава да бъде най-широко използваният PV материал днес. Докато други PV материали и дизайните използват PV ефекта по малко различни начини, разбирането как работи ефектът в кристалния силиций ни дава основно разбиране за това как работи във всички устройства.
Цялата материя е съставена от атоми, които от своя страна са съставени от положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални неутрони. Протоните и неутроните, които са приблизително еднакви по размер, съставляват близко затвореното централно „ядро“ на атома. Тук се намира почти цялата маса на атома. Междувременно много по-леките електрони обикалят около ядрото с много големи скорости. Въпреки че атомът е изграден от противоположни частици, общият му заряд е неутрален, тъй като съдържа равен брой положителни протони и отрицателни електрони.
Четирите електрони че орбитата на ядрото в най-външното или "валентно" енергийно ниво се дава, приема се или се споделя от други атоми. Електроните обикалят около ядрото на различни разстояния и това се определя от енергийното им ниво. Например, електрон с по-малко енергия би орбитирал по-близо до ядрото, докато една от по-голямата енергия орбитира по-далеч. Именно електроните са най-отдалечени от ядрото, които взаимодействат с тези на съседните атоми, за да определят начина на формиране на твърдите структури.
Въпреки че силициевият атом има 14 електрона, естествената им орбитална подредба позволява да бъдат дадени, приети от или споделени с други атоми само външните четири от тях. Тези външни четири електрона се наричат "валентни" електрони и те играят изключително важна роля за производството на фотоволтаичния ефект. И така, какъв е фотоволтаичният ефект или PV? Фотоволтаичният ефект е основният физически процес, чрез който фотоволтаичната клетка преобразува енергията от слънцето в използваемо електричество. Самата слънчева светлина е съставена от фотони или частици от слънчевата енергия. И тези фотони съдържат различни количества енергия, които съответстват на различните дължини на вълните на слънчевия спектър.
Когато силицийът е в кристалната си форма, това е преобразуването на слънчевата енергия в електричество може да се проведе. Голям брой силициеви атоми могат да се свържат заедно, за да образуват кристал чрез валентните си електрони. В кристално твърдо вещество всеки силициев атом обикновено споделя един от четирите си валентни електрона във "ковалентна" връзка с всеки от четири съседни силициеви атома.
След това твърдото вещество се състои от основни единици от пет атома силиций: първоначалният атом плюс четирите други атома, с които той споделя валентните си електрони. В основната единица на кристалното силициево твърдо вещество силициевият атом споделя всеки от четирите си валентни електрона с всеки от четири съседни атома. Твърдият силициев кристал е съставен от правилна серия от единици от пет силициеви атома. Това правилно и неподвижно подреждане на силициеви атоми е известно като "кристалната решетка".