Le silicium cristallin était le matériau semi-conducteur utilisé dans les premiers appareils photovoltaïques à succès et continue d'être le matériau photovoltaïque le plus utilisé aujourd'hui. Tandis que d'autres Matériaux PV et les conceptions exploitent l'effet PV de façons légèrement différentes, comprendre comment l'effet fonctionne dans le silicium cristallin nous donne une compréhension de base de la façon dont il fonctionne dans tous les appareils.
Toute la matière est composée d'atomes, qui sont à leur tour composés de protons chargés positivement, d'électrons chargés négativement et de neutrons neutres. Les protons et les neutrons, qui sont approximativement de taille égale, constituent le "noyau" central serré de l'atome. C'est là que se trouve presque toute la masse de l'atome. Pendant ce temps, les électrons beaucoup plus légers orbitent autour du noyau à des vitesses très élevées. Bien que l'atome soit construit à partir de particules de charges opposées, sa charge globale est neutre car il contient un nombre égal de protons positifs et d'électrons négatifs.
Les quatre électrons qui gravitent autour du noyau dans le niveau d'énergie le plus externe ou de "valence" sont donnés à, acceptés de ou partagés avec d'autres atomes. Les électrons tournent autour du noyau à différentes distances et cela est déterminé par leur niveau d'énergie. Par exemple, un électron avec moins d'énergie orbiterait plus près du noyau, alors que celui d'une plus grande énergie orbiterait plus loin. Ce sont les électrons les plus éloignés du noyau qui interagissent avec ceux des atomes voisins pour déterminer la formation des structures solides.
Bien que l'atome de silicium ait 14 électrons, leur disposition orbitale naturelle permet que seuls les quatre externes de ceux-ci soient donnés, acceptés ou partagés avec d'autres atomes. Ces quatre électrons externes sont appelés électrons de "valence" et jouent un rôle extrêmement important dans la production de l'effet photovoltaïque. Alors, quel est l'effet photovoltaïque ou PV? L'effet photovoltaïque est le processus physique de base par lequel une cellule photovoltaïque convertit l'énergie du soleil en électricité utilisable. La lumière du soleil elle-même est composée de photons ou de particules d'énergie solaire. Et ces photons contiennent différentes quantités d'énergie qui correspondent aux différentes longueurs d'onde du spectre solaire.
C’est lorsque le silicium est sous sa forme cristalline que la conversion de l’énergie solaire en électricité peut avoir lieu. Un grand nombre d'atomes de silicium peuvent se lier ensemble pour former un cristal à travers leurs électrons de valence. Dans un solide cristallin, chaque atome de silicium partage normalement l'un de ses quatre électrons de valence dans une liaison "covalente" avec chacun des quatre atomes de silicium voisins.
Le solide se compose alors d'unités de base de cinq atomes de silicium: l'atome d'origine plus les quatre autres atomes avec lesquels il partage ses électrons de valence. Dans l'unité de base du silicium solide cristallin, un atome de silicium partage chacun de ses quatre électrons de valence avec chacun des quatre atomes voisins. Le cristal de silicium solide est composé d'une série régulière d'unités de cinq atomes de silicium. Cet arrangement régulier et fixe d'atomes de silicium est connu sous le nom de «réseau cristallin».