Kristalin silikon, en erken başarılı PV cihazlarında kullanılan yarı iletken malzemeydi ve bugün en yaygın kullanılan PV malzemesi olmaya devam ediyor. Digerine ragmen PV malzemeleri ve tasarımlar PV efektini biraz farklı şekillerde kullanırlar, etkinin kristal silikonda nasıl çalıştığını anlamak bize tüm cihazlarda nasıl çalıştığı hakkında temel bir anlayış kazandırır.
Tüm maddeler, pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr nötronlardan oluşan atomlardan oluşur. Yaklaşık olarak eşit büyüklükte olan protonlar ve nötronlar, atomun yakın paketlenmiş merkezi "çekirdeğini" oluşturur. Bu, atomun neredeyse tüm kütlesinin bulunduğu yerdir. Bu arada, çok daha hafif elektronlar çekirdeği çok yüksek hızlarda yörüngede çevirir. Atom ters yüklü parçacıklardan yapılmış olmasına rağmen, toplam yükü eşittir çünkü eşit sayıda pozitif proton ve negatif elektron içerir.
Dört elektronlar en dıştaki ya da "değerlik" enerji seviyesindeki çekirdeğin yörüngesindeki diğer atomlara verilen, kabul edilen ya da diğer atomlarla paylaşılan. Elektronlar çekirdeği farklı mesafelerde yörüngede tutarlar ve bu enerji düzeylerine göre belirlenir. Örneğin, daha az enerjiye sahip bir elektron çekirdeğe daha yakın yörüngede olurken, daha büyük enerjiden biri daha fazla yörüngede döner. Katı yapıların oluşma biçimini belirlemek için, komşu atomlarla etkileşime giren çekirdekten en uzak olan elektronlardır.
Silikon atomunun 14 elektronu olmasına rağmen, bunların doğal yörünge düzenleri, bunların sadece dördünün diğer atomlara verilmesini, kabul edilmesini veya diğer atomlarla paylaşılmasını sağlar. Bu dış dört elektrona "değerlik" elektronları denir ve fotovoltaik etkinin üretiminde son derece önemli bir rol oynarlar. Peki fotovoltaik etki veya PV nedir? Fotovoltaik etki, bir fotovoltaik hücrenin enerjiyi güneşten kullanılabilir elektriğe dönüştürdüğü temel fiziksel süreçtir. Güneş ışığının kendisi fotonlardan veya güneş enerjisi parçacıklarından oluşur. Ve bu fotonlar, güneş spektrumunun farklı dalga boylarına karşılık gelen çeşitli miktarlarda enerji içerir.
Silikon kristal halindeyken güneş enerjisinin dönüşümü elektriğe yer alabilir. Çok sayıda silikon atomu, değerlik elektronları yoluyla bir kristal oluşturmak için birbirine bağlanabilir. Kristalimsi bir katı içinde, her silikon atomu normal olarak dört değerlik elektronundan birini dört komşu silikon atomunun her biriyle "kovalent" bir bağda paylaşır.
Katı daha sonra beş silikon atomunun temel birimlerinden oluşur: orijinal atom artı değerlik elektronlarını paylaştığı diğer dört atom. Kristalin silikon katının temel biriminde, bir silikon atomu dört değerlik elektronunun her birini dört komşu atomun her biriyle paylaşır. Katı silikon kristali, beş silikon atomlu düzenli bir seri birimlerden oluşur. Silikon atomlarının bu düzenli ve sabit düzenlemesi "kristal kafes" olarak bilinir.