Το κρυσταλλικό πυρίτιο ήταν το ημιαγώγιμο υλικό που χρησιμοποιήθηκε στις πρώτες επιτυχημένες φωτοβολταϊκές συσκευές και εξακολουθεί να είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο ΦΒ υλικό σήμερα. Ενώ άλλα Φ / Β υλικά και τα σχέδια αξιοποιούν το φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους, κατανοώντας πώς λειτουργεί το αποτέλεσμα σε κρυσταλλικό πυρίτιο μας δίνει μια βασική κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του σε όλες τις συσκευές.
Όλη η ύλη αποτελείται από άτομα, τα οποία, με τη σειρά τους, αποτελούνται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και ουδέτερα νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία είναι περίπου ίσα σε μέγεθος, αποτελούν τον στενό κεντρικό «πυρήνα» του ατόμου. Εκεί βρίσκεται σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου. Εν τω μεταξύ, τα πολύ ελαφρύτερα ηλεκτρόνια τροχίζουν τον πυρήνα με πολύ υψηλές ταχύτητες. Αν και το άτομο είναι χτισμένο από αντίθετα φορτισμένα σωματίδια, το συνολικό του φορτίο είναι ουδέτερο επειδή περιέχει ίσο αριθμό θετικών πρωτονίων και αρνητικών ηλεκτρονίων.
Οι τέσσερις ηλεκτρόνια ότι η τροχιά στον πυρήνα στο εξωτερικό ή στο "σθένος" ενεργειακό επίπεδο δίνεται, γίνεται αποδεκτή από ή μοιραζόταν με άλλα άτομα. Τα ηλεκτρόνια τροχίζουν τον πυρήνα σε διαφορετικές αποστάσεις και αυτό καθορίζεται από το επίπεδο ενέργειας τους. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο με λιγότερη ενέργεια θα τερμάτιζε πλησιέστερα προς τον πυρήνα, ενώ ένα από τα μεγαλύτερα περιθώρια ενέργειας περνάει πιο μακριά. Είναι τα ηλεκτρόνια που είναι πιο απομακρυσμένα από τον πυρήνα που αλληλεπιδρά με αυτά των γειτονικών ατόμων για να καθορίσουν τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται οι στερεές δομές.
Αν και το άτομο πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια, η φυσική τους τροχιακή διάταξη επιτρέπει μόνο στις τέσσερις από αυτές να δίδονται, να γίνονται αποδεκτές από ή να μοιράζονται με άλλα άτομα. Αυτά τα τέσσερα εξωτερικά ηλεκτρόνια ονομάζονται ηλεκτρόνια "σθένους" και παίζουν έναν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στην παραγωγή φωτοβολταϊκού αποτελέσματος. Ποια είναι η φωτοβολταϊκή επίδραση ή η φωτοβολταϊκή ενέργεια; Το φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα είναι η βασική φυσική διαδικασία μέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο μετατρέπει την ενέργεια από τον ήλιο σε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα. Το ηλιακό φως αποτελείται από φωτόνια ή σωματίδια ηλιακής ενέργειας. Και αυτά τα φωτόνια περιέχουν διάφορες ποσότητες ενέργειας που αντιστοιχούν στα διαφορετικά μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος.
Είναι όταν το πυρίτιο είναι στην κρυσταλλική μορφή του ότι η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να λάβει χώρα. Μεγάλοι αριθμοί ατόμων πυριτίου μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν κρυστάλλους μέσω των ηλεκτρονίων τους σθένους. Σε ένα κρυσταλλικό στερεό, κάθε άτομο πυριτίου κανονικά μοιράζεται ένα από τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του σε ένα "ομοιοπολικό" δεσμό με κάθε ένα από τα τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου.
Το στερεό αποτελείται στη συνέχεια από βασικές μονάδες πέντε ατόμων πυριτίου: το αρχικό άτομο συν τα τέσσερα άλλα άτομα με τα οποία μοιράζεται τα ηλεκτρόνια του σθένους. Στη βασική μονάδα στερεού κρυσταλλικού πυριτίου, ένα άτομο πυριτίου μοιράζεται κάθε ένα από τα τέσσερα ηλεκτρόνια του σθένους με κάθε ένα από τα τέσσερα γειτονικά άτομα. Ο στερεός κρύσταλλος πυριτίου αποτελείται από μια κανονική σειρά μονάδων πέντε ατόμων πυριτίου. Αυτή η τακτική και σταθερή διάταξη ατόμων πυριτίου είναι γνωστή ως "κρυσταλλικό πλέγμα".