Kristalne räni oli pooljuhtmaterjal, mida kasutati kõige varasemates edukates PV-seadmetes, ning on tänapäeval kõige laialdasemalt kasutatav PV-materjal. Kuigi muud PV materjalid ja kujundused kasutavad PV-efekti veidi erineval viisil, mõistmine, kuidas see toimib kristalses ränis, annab meile põhiteadmised selle toimimisest kõigis seadmetes.
Kõik mateeria koosneb aatomitest, mis omakorda koosnevad positiivselt laetud prootonitest, negatiivselt laetud elektronidest ja neutraalsetest neutronitest. Prootonid ja neutronid, mis on ligikaudu võrdse suurusega, moodustavad aatomi tihedalt pakitud keskse "tuuma". Siin asub peaaegu kogu aatomi mass. Samal ajal tiirlevad tuumast väga suure kiirusega palju kergemad elektronid. Ehkki aatom on ehitatud vastupidiselt laetud osakestest, on selle kogulaeng neutraalne, kuna see sisaldab võrdsel arvul positiivseid prootoneid ja negatiivseid elektrone.
Neli elektronid et tuuma orbiidil äärepoolseimas energiatasandis või "valents" energiatasand on antud, aktsepteeritud või jagatud teiste aatomitega. Elektronid tiirlevad tuumast erinevatel kaugustel ja see on määratud nende energiatasemega. Näiteks väiksema energiaga elektron tiirleb tuumale lähemal, samal ajal kui üks suurema energiaga orbiteerib kaugemal. Tahkete struktuuride moodustumise kindlakstegemiseks on tuumadest kõige kaugemal elektronid, mis interakteeruvad naaberaatomite omadega.
Ehkki räni aatomil on 14 elektronit, võimaldab nende looduslik orbitaaljaotus anda neist aatomitele ainult neli välimist, neid vastu võtta või teiste aatomitega jagada. Neid nelja välimist elektroni nimetatakse "valentselektroniteks" ja neil on fotogalvaanilise efekti loomisel tohutult oluline roll. Mis on fotogalvaaniline efekt ehk PV? Fotoelektriline efekt on põhiline füüsiline protsess, mille kaudu fotogalvaaniline element muundab päikesest saadava energia kasutatavaks elektriks. Päikesevalgus ise koosneb footonitest või päikeseenergia osakestest. Ja need footonid sisaldavad mitmesuguseid energiakoguseid, mis vastavad Päikesespektri erinevatele lainepikkustele.
Kui räni on kristalsel kujul, muundub see päikeseenergiaks elektrisse võib toimuda. Suur arv räni aatomeid võib omavahel siduda, moodustades kristalli nende valentselektronite kaudu. Kristalses tahkises jagab iga räni aatom tavaliselt ühte neljast valentselektronist "kovalentses" sidemes nelja naabruses oleva räni aatomiga.
Seejärel koosneb tahke aine viiest räni aatomist koosnevatest põhiosadest: algsest aatomist ja veel neljast aatomist, millega ta jagab oma valentselektrone. Kristallilise räni tahke põhiosas jagab räni aatom oma nelja valentselektroni iga nelja naaberiaatomiga. Tahke räni kristall koosneb korrapärasest viiest räni aatomist koosnevatest ühikutest. Seda räni aatomite korrapärast ja fikseeritud paigutust nimetatakse "kristallvõreks".