O silício cristalino foi o material semicondutor usado nos primeiros dispositivos fotovoltaicos de sucesso e continua a ser o material fotovoltaico mais utilizado atualmente. Enquanto outro Materiais fotovoltaicos e os projetos exploram o efeito PV de maneiras ligeiramente diferentes, entender como o efeito funciona no silício cristalino nos fornece um entendimento básico de como ele funciona em todos os dispositivos.
Toda matéria é composta de átomos, que são, por sua vez, compostos de prótons com carga positiva, elétrons com carga negativa e nêutrons neutros. Os prótons e nêutrons, que são aproximadamente iguais em tamanho, compõem o "núcleo" central do átomo. É aqui que quase toda a massa do átomo está localizada. Enquanto isso, os elétrons muito mais leves orbitam o núcleo em velocidades muito altas. Embora o átomo seja construído a partir de partículas com carga oposta, sua carga geral é neutra porque contém um número igual de prótons positivos e elétrons negativos.
Os quatro elétrons
que orbitam o núcleo no nível de energia mais externo ou de "valência" são dados, aceitos ou compartilhados com outros átomos. Os elétrons orbitam o núcleo a diferentes distâncias e isso é determinado pelo seu nível de energia. Por exemplo, um elétron com menos energia orbitaria mais próximo do núcleo, enquanto um de maior energia orbita mais longe. São os elétrons que estão mais afastados do núcleo que interagem com os átomos vizinhos para determinar a forma como as estruturas sólidas são formadas.Embora o átomo de silício possua 14 elétrons, seu arranjo orbital natural permite que apenas os quatro exteriores sejam dados, aceitos ou compartilhados com outros átomos. Esses quatro elétrons externos são chamados elétrons de "valência" e desempenham um papel imensamente importante na produção do efeito fotovoltaico. Então, qual é o efeito fotovoltaico ou PV? O efeito fotovoltaico é o processo físico básico através do qual uma célula fotovoltaica converte energia do sol em eletricidade utilizável. A própria luz solar é composta de fótons ou partículas de energia solar. E esses fótons contêm várias quantidades de energia que correspondem aos diferentes comprimentos de onda do espectro solar.
É quando o silício está em sua forma cristalina que a conversão da energia solar em eletricidade pode acontecer. Um grande número de átomos de silício pode se unir para formar um cristal através de seus elétrons de valência. Em um sólido cristalino, cada átomo de silício normalmente compartilha um de seus quatro elétrons de valência em uma ligação "covalente" com cada um dos quatro átomos de silício vizinhos.
O sólido consiste então em unidades básicas de cinco átomos de silício: o átomo original mais os outros quatro átomos com os quais compartilha seus elétrons de valência. Na unidade básica do sólido de silício cristalino, um átomo de silício compartilha cada um de seus quatro elétrons de valência com cada um dos quatro átomos vizinhos. O cristal de silício sólido é composto por uma série regular de unidades de cinco átomos de silício. Esse arranjo regular e fixo de átomos de silício é conhecido como "treliça de cristal".