Kristallint kisel var det halvledarmaterial som användes i de tidigaste framgångsrika PV-apparaterna och fortsätter att vara det mest använda PV-materialet idag. Medan andra PV-material och design utnyttjar PV-effekten på något olika sätt, förstå hur effekten fungerar i kristallint kisel ger oss en grundläggande förståelse för hur den fungerar i alla enheter.
All materia består av atomer som i sin tur består av positivt laddade protoner, negativt laddade elektroner och neutrala neutroner. Protonerna och neutronerna, som är ungefär lika stora, utgör atomens nära packade centrala "kärna". Det är här nästan hela atomens massa ligger. Under tiden kretsar de mycket lättare elektroner om kärnan med mycket höga hastigheter. Även om atomen är byggd av motsatt laddade partiklar är dess totala laddning neutral eftersom den innehåller ett lika antal positiva protoner och negativa elektroner.
De fyra elektroner att bana kärnan i den yttersta eller "valens" energinivån ges till, accepteras från eller delas med andra atomer. Elektronerna kretsar kring kärnan på olika avstånd och detta bestäms av deras energinivå. Till exempel skulle en elektron med mindre energi kretsa närmare kärnan, medan en med större energi kretsar längre bort. Det är elektronerna som är längst från kärnan som interagerar med de hos angränsande atomer för att bestämma hur fasta strukturer bildas.
Även om kiselatomen har 14 elektroner tillåter deras naturliga omloppsarrangemang endast de yttre fyra av dessa att ges, accepteras från eller delas med andra atomer. Dessa yttre fyra elektroner kallas "valens" -elektroner och de spelar en oerhört viktig roll för att producera den fotovoltaiska effekten. Så vad är den fotovoltaiska effekten eller PV? Den fotovoltaiska effekten är den grundläggande fysiska processen genom vilken en fotovoltaisk cell omvandlar energi från solen till användbar elektricitet. Solljuset själv består av fotoner eller partiklar av solenergi. Och dessa fotoner innehåller olika mängder energi som motsvarar de olika våglängderna i solspektrumet.
Det är när kisel är i sin kristallina form som omvandlingen av solenergi till el kan äga rum. Ett stort antal kiselatomer kan binda samman och bilda en kristall genom deras valenselektroner. I ett kristallint fast ämne delar varje kiselatom normalt en av sina fyra valenselektroner i en "kovalent" bindning med var och en av fyra angränsande kiselatomer.
Det fasta materialet består sedan av basenheter med fem kiselatomer: den ursprungliga atomen plus de fyra andra atomerna med vilka det delar sina valenselektroner. I basenheten av kristallint kiselfast ämne delar en kiselatom var och en av sina fyra valenselektroner med var och en av fyra angränsande atomer. Den fasta kiselkristallen består av en regelbunden serie enheter med fem kiselatomer. Detta regelbundna och fasta arrangemang av kiselatomer är känt som "kristallgitteret."