Silikon kristal adalah bahan semikonduktor yang digunakan dalam perangkat PV paling awal yang sukses dan terus menjadi bahan PV yang paling banyak digunakan saat ini. Sementara lainnya Bahan PV dan desain mengeksploitasi efek PV dengan cara yang sedikit berbeda, memahami bagaimana efek bekerja pada silikon kristal memberi kita pemahaman dasar tentang cara kerjanya pada semua perangkat.
Semua materi terdiri dari atom, yang, pada gilirannya, terdiri dari proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron netral. Proton dan neutron, yang ukurannya kira-kira sama, membentuk "inti" inti atom yang padat. Di sinilah hampir semua massa atom berada. Sementara itu, elektron yang jauh lebih ringan mengorbit nukleus dengan kecepatan sangat tinggi. Meskipun atom dibangun dari partikel yang bermuatan berlawanan, muatan keseluruhannya netral karena mengandung jumlah proton positif dan elektron negatif yang sama.
Keempat elektron yang mengorbit nukleus di tingkat energi terluar atau "valensi" diberikan, diterima dari atau dibagi dengan atom lain. Elektron mengorbit nukleus pada jarak yang berbeda dan ini ditentukan oleh tingkat energinya. Sebagai contoh, sebuah elektron dengan energi lebih sedikit akan mengorbit lebih dekat ke nukleus, sedangkan salah satu dari energi yang lebih besar mengorbit lebih jauh. Ini adalah elektron yang paling jauh dari nukleus yang berinteraksi dengan atom-atom tetangga untuk menentukan cara struktur padat terbentuk.
Meskipun atom silikon memiliki 14 elektron, pengaturan orbital alami mereka hanya memungkinkan empat terluar untuk diberikan, diterima dari, atau dibagi dengan atom lain. Empat elektron terluar ini disebut elektron "valensi" dan mereka memainkan peran yang sangat penting dalam menghasilkan efek fotovoltaik. Jadi apa efek fotovoltaik atau PV? Efek fotovoltaik adalah proses fisik dasar di mana sel fotovoltaik mengubah energi dari matahari menjadi listrik yang dapat digunakan. Sinar matahari sendiri terdiri dari foton atau partikel energi matahari. Dan foton ini mengandung berbagai jumlah energi yang sesuai dengan panjang gelombang berbeda dari spektrum matahari.
Saat silikon dalam bentuk kristal itulah konversi energi surya menjadi listrik dapat terjadi. Sejumlah besar atom silikon dapat berikatan bersama untuk membentuk kristal melalui elektron valensi mereka. Dalam padatan kristal, setiap atom silikon biasanya berbagi satu dari empat elektron valensi dalam ikatan "kovalen" dengan masing-masing dari empat atom silikon yang berdekatan.
Padatan kemudian terdiri dari unit-unit dasar dari lima atom silikon: atom asli ditambah empat atom lainnya yang digunakan untuk berbagi elektron valensi. Dalam unit dasar padatan silikon kristalin, sebuah atom silikon berbagi masing-masing dari empat elektron valensi dengan masing-masing dari empat atom tetangga. Kristal silikon padat terdiri dari serangkaian unit lima atom silikon biasa. Susunan atom silikon teratur dan tetap ini dikenal sebagai "kisi kristal."