El efecto debido a que la energía de la luz se convierte en energía eléctrica en ciertos semiconductor materiales se conoce como efecto fotovoltaico. Esto convierte directamente la energía de la luz en electricidad sin ningún proceso intermedio. Para demostrar la efecto fotovoltaico asumamos un bloque de cristal de silicio.
La parte superior de este bloque está dopada con impurezas del donante y la parte inferior está dopada con impurezas de aceptación. Por lo tanto, la concentración de electrones libres es bastante alta en la región de tipo n en comparación con la región de tipo p y la concentración del agujero es bastante alta en la región de tipo p en comparación con la región de tipo n del bloque. Habrá un alto gradiente de concentración de carga los portadores a través de la línea de unión del bloque. Los electrones libres de la región de tipo n tratan de difundirse a la región de tipo p y los agujeros de la región de tipo p tratan de difundirse a la región de tipo n en el cristal. Esto se debe a que los portadores de carga por naturaleza siempre tienden a difundirse de una región de alta concentración a otra de baja concentración. Cada electrón libre de la región de tipo n mientras llega a la región de tipo p debido a la difusión, deja un ión donante positivo detrás de él en la región de tipo n.
Esto se debe a que cada uno de los electrones libres en la región de tipo n es aportado por un átomo donante neutro. De manera similar, cuando un agujero se difunde de una región de tipo p a otra de tipo n, deja una aceptación o un ión negativo detrás de él en la región de tipo p.
Dado que cada agujero es aportado por un átomo aceptor en la región tipo p. Ambos iones, es decir, los iones donantes y los iones aceptores, están inmóviles y fijos en su posición en la estructura del cristal. No hace falta decir que esos electrones libres de la región de tipo n que están más cerca de la región de tipo p se difunden primero en la región de tipo p y, en consecuencia, crean una capa de iones donantes positivos inmóviles en la región de tipo n adyacente a la unión.
De manera similar, los agujeros libres de la región del tipo p que están más cerca de la región del tipo n se difunden primero en la región del tipo n y, en consecuencia, crean una capa de iones aceptores inmóviles negativos en la región del tipo p adyacente a la unión. Esta capa de concentración de iones positivos y negativos crea una campo eléctrico a través de la unión que se dirige de positivo a negativo que en de lado de tipo n a lado de tipo p. Ahora debido a la presencia de este campo eléctrico los portadores de carga en el cristal experimentan una fuerza para derivar de acuerdo a la dirección de este campo eléctrico. Como sabemos, la carga positiva siempre deriva en la dirección del campo eléctrico, por lo que los agujeros cargados positivamente (si los hay) en la región de tipo n ahora derivan hacia el lado p de la unión.
Por otra parte, los electrones cargados negativamente en la región tipo p (si la hay) derivan a la región n, ya que la carga negativa siempre deriva en sentido contrario a la dirección del campo eléctrico. A través de una unión p-n La difusión y la deriva de los portadores de carga continúa. La difusión de carga los portadores crea y aumenta el grosor de la barrera potencial a través de la unión y la deriva de los portadores de carga reduce el grosor de la barrera. En condiciones normales de equilibrio térmico y en ausencia de cualquier fuerza externa, la difusión del portador de carga es igual y opuesta a la deriva de los portadores de carga, por lo que el espesor de la barrera potencial permanece fijo.
Ahora la superficie de tipo n del bloque de cristal de silicio está expuesta a la luz del sol. Algunos de los fotones son absorbidos por el bloque de silicio. Algunos de los fotones absorbidos tendrán una energía mayor que la brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción de los electrones de valencia de los átomos de silicio. Por lo tanto, algunos de los electrones de valencia en el enlace covalente se excitarán y saltarán del enlace dejando un agujero en el mismo. De esta manera se generan pares de electrones-agujero en el cristal debido a la luz incidente. Los agujeros de estos pares de electrones-agujero generados por la luz en el lado de tipo n tienen suficiente probabilidad de recombinación con enormes electrones (portadores mayoritarios). Por lo tanto, célula solar está diseñado de tal manera que los electrones o agujeros generados por la luz no tendrán suficientes oportunidades para recombinarse con los portadores mayoritarios.
El semiconductor (silicio) está tan dopado que el unión p-n se forma en las proximidades de la superficie expuesta de la célula. Si se crea un par de agujeros de electrones dentro de una longitud de difusión de portadora minoritaria, de la unión, los electrones del par de agujeros de electrones derivarán hacia una región de tipo n y el agujero del par será barrido hacia la región p debido a la influencia de campo eléctrico de la unión y por lo tanto, en promedio, contribuirá a actual …en un circuito externo.
