Krystallinsk silisium var halvledermaterialet som ble brukt i de tidligste vellykkede PV-enhetene og er fortsatt det mest brukte PV-materialet i dag. Mens andre PV-materialer og design utnytter PV-effekten på litt forskjellige måter, for å forstå hvordan effekten fungerer i krystallinsk silisium gir oss en grunnleggende forståelse av hvordan den fungerer på alle enheter.
All materie er sammensatt av atomer, som igjen er sammensatt av positivt ladede protoner, negativt ladede elektroner og nøytrale nøytroner. Protonene og nøytronene, som er tilnærmet like store, utgjør atomets tettpakkede sentrale "kjerne". Det er her nesten hele atomets masse befinner seg. I mellomtiden går de mye lettere elektronene i bane rundt kjernen med svært høye hastigheter. Selv om atomet er bygget fra motsatt ladede partikler, er dets totale ladning nøytralt fordi det inneholder et like antall positive protoner og negative elektroner.
De fire elektroner som går i bane rundt kjernen i det ytterste eller "valens" energinivået blir gitt til, akseptert fra eller delt med andre atomer. Elektronene går i bane rundt kjernen på forskjellige avstander, og dette bestemmes av energinivået deres. For eksempel vil et elektron med mindre energi bane nærmere kjernen, mens en med større energi går i bane lenger unna. Det er elektronene som er lengst fra kjernen som samvirker med de fra nabotatomer for å bestemme hvordan faste strukturer dannes.
Selv om silisiumatomet har 14 elektroner, lar deres naturlige orbitalarrangement bare de ytre fire av disse gis til, aksepteres fra eller deles med andre atomer. Disse ytre fire elektronene kalles "valence" -elektroner, og de spiller en uhyre viktig rolle i å produsere den fotovoltaiske effekten. Så hva er den fotovoltaiske effekten eller PV? Den fotovoltaiske effekten er den grunnleggende fysiske prosessen som en fotovoltaisk celle konverterer energi fra solen til brukbar elektrisitet. Sollys i seg selv er sammensatt av fotoner eller partikler av solenergi. Og disse fotonene inneholder forskjellige mengder energi som tilsvarer de forskjellige bølgelengdene til solspekteret.
Det er når silisium er i sin krystallinske form som konvertering av solenergi til strøm kan finne sted. Stort antall silisiumatomer kan binde seg sammen og danne en krystall gjennom valenselektronene. I et krystallinsk fast stoff deler hvert silisiumatom normalt en av sine fire valenselektroner i en "kovalent" binding med hvert av fire naboer silisiumatomer.
Det faste stoffet består da av grunnleggende enheter med fem silisiumatomer: det originale atomet pluss de fire andre atomene det deler sine valenselektroner med. I den grunnleggende enheten av krystallinsk silisium-faststoff deler et silisiumatom hver av sine fire valenselektroner med hvert av fire nabomater. Den faste silisiumkrystallen består av en vanlig serie med fem silisiumatomer. Dette vanlige og faste arrangementet av silisiumatomer er kjent som "krystallgitteret."