Kristallines Silizium war das Halbleitermaterial, das in den frühesten erfolgreichen PV-Bauelementen verwendet wurde, und ist bis heute das am weitesten verbreitete PV-Material. Während andere PV-Materialien und Designs nutzen den PV-Effekt auf leicht unterschiedliche Weise. Wenn wir verstehen, wie der Effekt in kristallinem Silizium funktioniert, erhalten wir ein grundlegendes Verständnis dafür, wie er in allen Geräten funktioniert.
Alle Materie besteht aus Atomen, die wiederum aus positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen und neutralen Neutronen bestehen. Die Protonen und Neutronen, die ungefähr gleich groß sind, bilden den dicht gepackten zentralen "Kern" des Atoms. Hier befindet sich fast die gesamte Masse des Atoms. Währenddessen umkreisen die viel leichteren Elektronen den Kern mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Obwohl das Atom aus entgegengesetzt geladenen Teilchen aufgebaut ist, ist seine Gesamtladung neutral, da es die gleiche Anzahl positiver Protonen und negativer Elektronen enthält.
Die Vier Elektronen dass die Umlaufbahn des Kerns im äußersten oder "Valenz" -Energieniveau anderen Atomen gegeben, von ihnen akzeptiert oder mit ihnen geteilt wird. Die Elektronen umkreisen den Kern in unterschiedlichen Abständen und dies wird durch ihr Energieniveau bestimmt. Zum Beispiel würde ein Elektron mit weniger Energie näher am Kern umkreisen, während eines mit größerer Energie weiter entfernt umkreist. Es sind die Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, die mit denen benachbarter Atome interagieren, um die Art und Weise zu bestimmen, wie feste Strukturen gebildet werden.
Obwohl das Siliziumatom 14 Elektronen hat, erlaubt ihre natürliche Orbitalanordnung, dass nur die äußeren vier von diesen anderen Atomen gegeben, von ihnen akzeptiert oder mit ihnen geteilt werden. Diese äußeren vier Elektronen werden "Valenzelektronen" genannt und spielen eine immens wichtige Rolle bei der Erzeugung des photovoltaischen Effekts. Was ist der Photovoltaikeffekt oder PV? Der photovoltaische Effekt ist der grundlegende physikalische Prozess, durch den eine Photovoltaikzelle Sonnenenergie in nutzbaren Strom umwandelt. Das Sonnenlicht selbst besteht aus Photonen oder Teilchen der Sonnenenergie. Und diese Photonen enthalten verschiedene Energiemengen, die den verschiedenen Wellenlängen des Sonnenspektrums entsprechen.
Wenn Silizium in seiner kristallinen Form vorliegt, erfolgt die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität kann stattfinden. Eine große Anzahl von Siliziumatomen kann sich durch ihre Valenzelektronen zu einem Kristall verbinden. In einem kristallinen Feststoff teilt jedes Siliciumatom normalerweise eines seiner vier Valenzelektronen in einer "kovalenten" Bindung mit jedem der vier benachbarten Siliciumatome.
Der Feststoff besteht dann aus Grundeinheiten von fünf Siliziumatomen: dem ursprünglichen Atom plus den vier anderen Atomen, mit denen er seine Valenzelektronen teilt. In der Grundeinheit des kristallinen Siliziumfeststoffs teilt ein Siliziumatom jedes seiner vier Valenzelektronen mit jedem der vier benachbarten Atome. Der feste Siliziumkristall besteht aus einer regelmäßigen Reihe von Einheiten von fünf Siliziumatomen. Diese regelmäßige und feste Anordnung von Siliziumatomen ist als "Kristallgitter" bekannt.