Wyjaśnienie efektu fotowoltaicznego wymaga krótkiego przedstawienia złożoności natury światła. Złożoność ta polega na tym, że światło jest zarówno falą elektromagnetyczną i wiązką cząsteczek zwanych fotonami. Rozumiem, że dla wielu z was jest to trudne do zrozumienia czy wyobrażenia. Idealnie taką sytuacje wyjaśnia pojęcia dualizm korpuskularno-falowy. Pojęcie dualizmu jest cechą światła opisującą, że światło w zależności od sytuacji może zachowywać się, jako fala lub jako wiązka fotonów.  Przykładem falowej natury światła jest zjawisko interferencji również zjawisko dyfrakcji.  Natomiast przykładem światła, jako wiązki fotonów jest właśnie efekt fotowoltaiczny.

Efekt fotowoltaiczny został przedstawiony przez Edmonda Becquerela
w 1839 r. Jego doświadczenie polegało na oświetlaniu umieszczonego chlorku srebra w kwaśnym roztworze a platynowe elektrody podłączone do całego układu generowały napięcie. Doświadczenie to spowodowało rewolucje w świecie nauki i dopiero w 1905 zjawisko to zostało wyjaśnione przez Alberta Einsteina. Przyjął, że energia kwantów (fotonów) padających na powierzchnię materiału jest całkowicie pochłaniane przez elektrony, które później są emitowany z materiału. Zjawisko to zostało opisane wzorem:

hv = W+Ek

gdzie: h- stała Plancka, v-częstotliwość fali, W-praca wyjścia, 
Ek-maksymalna energia kinetyczna elektronu.

Schemat efektu fotoelektrycznego
żródło wikipedia

Wyjaśnienie Einsteina dotyczy ogólnego efektu fotoelektrycznego, za które dostał w 1921r. nagrodę Nobla. Istnieje również szczególny przypadek efektu fotoelektrycznego a mianowicie wewnętrzny efekt fotoelektryczny (efekt fotowoltaiczny). Różnica polega na tym, że elektron po otrzymaniu energii przez foton nie zostaje wyemitowany z materiału, ale pozostaje w materiale. Przechodzi on z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Powoduje to całkowitą zmianę charakteru elektrycznego materiału. Warunek jaki musi zostać spełniony, aby zaistniał efekt fotowoltaiczny jest uzyskanie przez elektron energii większej niż pasmo wzbronione materiału. Domyślam się, że dla większości z Was wyjaśnienie to nie jest do końca zrozumiałe, dlatego postaram się wyjaśnić o co chodzi z pasmami: przewodzenia, walencyjne, wzbronione.

Wszystkie materiały możemy podzielić na trzy kategorie: przewodniki, półprzewodniki i izolatory. Każdy z tych materiałów posiada trzy pasma energetyczne walencyjne przewodnictwa i wzbroniony. Różnica miedzy kategoriami polega na szerokości pasma wzbronionego.

Podział materiałów ze względu na pasma energetyczne

W przewodnikach szerokość pasma wzbronionego wynosi zero,
a umieszczone w paśmie walencyjnym elektrony przechodzą swobodnie do pasma przewodnictwa. Dla półprzewodnika pasmo wzbronione posiada szerokość na tyle dużą, aby elektrony znajdujące się w pasmie walencyjnym nie przeszły do pasma przewodnictwa. Jednak po dostarczeniu odpowiedniej energii do elektronów mogą one przeskoczyć przez pasmo wzbronione do pasma przewodnictwa. Warunek jest taki, że dostarczona energia nie spowoduje zniszczenia materiału. W izolatorach szerokość pasma wzbronionego jest na tyle duża, że po dostarczeniu energii nieniszczącej materiał elektron nie jest w stanie przeskoczyć do pasma przewodnictwa. Myślę, że przybliżenie idei pasm energetycznych materiałów w znacznym stopniu pozwoliło zrozumieć zasadę działania efektu fotowoltaicznego.

Pasma energetyczne materiałów

Przedstawione wyjaśnienia efektu fotowoltaicznego oraz przybliżenie różnic elektrycznych materiałów można pokusić się o wytypowanie, jakie materiały najlepiej nadają się do wykorzystania w praktyce efektu fotowoltaicznego.  Materiał, jaki od razu zostaje odrzucony to izolator. Przyczyna jego odrzucenia jest prosta zbyt duża przerwa wzbroniona. Pozostają, więc pozostałe dwa materiały przewodniki i półprzewodniki. Który z nich wybrać oraz dlaczego zostanie przedstawione w następnym artykule.