Krystaliczny krzem był materiałem półprzewodnikowym stosowanym w najwcześniejszych udanych urządzeniach fotowoltaicznych i nadal jest obecnie najczęściej stosowanym materiałem fotowoltaicznym. Podczas gdy inne Materiały fotowoltaiczne a projekty wykorzystują efekt PV na nieco inne sposoby, zrozumienie, w jaki sposób działa on w krystalicznym krzemie, daje nam podstawową wiedzę o tym, jak działa we wszystkich urządzeniach.
Cała materia składa się z atomów, które z kolei składają się z dodatnio naładowanych protonów, ujemnie naładowanych elektronów i neutralnych neutronów. Protony i neutrony, które są w przybliżeniu jednakowej wielkości, tworzą ściśle upakowane centralne „jądro” atomu. To tutaj znajduje się prawie cała masa atomu. Tymczasem znacznie lżejsze elektrony krążą wokół jądra z bardzo dużymi prędkościami. Chociaż atom zbudowany jest z przeciwnie naładowanych cząstek, jego ogólny ładunek jest neutralny, ponieważ zawiera taką samą liczbę dodatnich protonów i ujemnych elektronów.
Czwórka
elektrony które krążą wokół jądra na najbardziej oddalonym poziomie lub „energia walencyjna” jest podawana, przyjmowana lub dzielona z innymi atomami. Elektrony krążą wokół jądra w różnych odległościach, a zależy to od ich poziomu energii. Na przykład elektron o mniejszej energii krążyłby bliżej jądra, podczas gdy jedna z większych energii krąży dalej. To elektrony znajdujące się najdalej od jądra oddziałują z atomami sąsiednich atomów, aby określić sposób powstawania struktur stałych.Chociaż atom krzemu ma 14 elektronów, ich naturalny układ orbitalny pozwala na przekazanie, przyjęcie lub współdzielenie tylko czterech zewnętrznych atomów z innymi atomami. Te cztery zewnętrzne elektrony nazywane są elektronami „walencyjnymi” i odgrywają niezwykle ważną rolę w wytwarzaniu efektu fotowoltaicznego. Więc jaki jest efekt fotowoltaiczny lub PV? Efekt fotowoltaiczny to podstawowy proces fizyczny, w którym ogniwo fotowoltaiczne przekształca energię słoneczną w użyteczną energię elektryczną. Samo światło słoneczne składa się z fotonów lub cząstek energii słonecznej. I te fotony zawierają różne ilości energii, które odpowiadają różnym długościom fal widma słonecznego.
To kiedy krzem jest w swojej krystalicznej formie, przekształca energię słoneczną w energię elektryczną może mieć miejsce. Duża liczba atomów krzemu może się łączyć, tworząc kryształ poprzez elektrony walencyjne. W krystalicznej substancji stałej każdy atom krzemu zwykle dzieli jeden z czterech elektronów walencyjnych w wiązaniu „kowalencyjnym” z każdym z czterech sąsiadujących atomów krzemu.
Ciało stałe składa się wówczas z podstawowych jednostek pięciu atomów krzemu: pierwotnego atomu plus czterech innych atomów, z którymi dzieli swoje elektrony walencyjne. W podstawowej jednostce krystalicznego ciała stałego krzemu atom krzemu dzieli każdy z czterech elektronów walencyjnych z każdym z czterech sąsiednich atomów. Stały kryształ krzemu składa się z regularnej serii jednostek pięciu atomów krzemu. Ten regularny i stały układ atomów krzemu jest znany jako „sieć krystaliczna”.