Кристални силицијум је био полуводички материјал који се користио у најранијим успешним ПВ уређајима и данас је највише кориштен ПВ материјал. Док други ПВ материјали и дизајни користе ПВ ефекат на мало другачије начине, разумевање како ефекат делује у кристалном силицијуму даје нам основно разумевање како он функционише на свим уређајима.
Сва материја је састављена од атома који су заузврат састављени од позитивно набијених протона, негативно наелектрисаних електрона и неутралних неутрона. Протони и неутрони, који су приближно једнаке величине, чине уско набијено централно „језгро“ атома. Овде се налази скоро сва маса атома. У међувремену, много лакши електрони круже око језгра врло великим брзинама. Иако је атом изграђен од насупрот наелектрисаних честица, његов укупни набој је неутралан јер садржи једнак број позитивних протона и негативних електрона.
Четири електрони која орбитира око језгра у најудаљенијем или „валентном“ енергетском нивоу, дају се, прихватају или деле са другим атомима. Електрони круже око језгра на различитим растојањима и то се одређује њиховим нивоом енергије. На пример, електрон са мање енергије орбитао би ближе језгру, док једна већа енергија орбитира даље. Управо су електрони који су најудаљенији од нуклеуса који утичу на оне из суседних атома да би одредили начин формирања чврстих структура.
Иако атом силицијума има 14 електрона, њихов природни орбитални распоред омогућава да се само четири спољна од њих дају, прихвате или деле са другим атомима. Ова спољна четири електрона називају се "валентни" електрони и они имају неизмерно важну улогу у стварању фотонапонског ефекта. Па шта је фотонапонски ефекат или ПВ? Фотонапонски ефекат је основни физички процес кроз који фотонапонска ћелија претвара енергију са сунца у употребљиву електричну енергију. Сама сунчева светлост састављена је од фотона или честица соларне енергије. А ти фотони садрже различите количине енергије које одговарају различитим таласним дужинама соларног спектра.
Када је силицијум у кристалном облику, то је претварање соларне енергије у електричну енергију може се догодити. Велики број атома силицијума може се повезати заједно да формира кристал кроз своје валенцијске електроне. У кристалној крутини, сваки атом силицијума обично дели један од своја четири валентна електрона у „ковалентној“ вези са сваким од четири суседна атома силицијума.
Чврста супстанца се затим састоји од основних јединица од пет атома силицијума: изворни атом плус четири остала атома са којима дели своје валенцијске електроне. У основној јединици кристалне силицијумске чврстоће, атом силицијума дели сваки од своја четири валентна електрона са сваким од четири суседна атома. Чврсти кристал силицијума састоји се од правилног низа јединица од пет атома силицијума. Овај правилан и фиксни распоред атома силицијума познат је као "кристална решетка".