硅元素是元素周期表上的第14号元素，属于第三周期，第IV主族，核外电子的排布为1s22s2p63s2p2，最外层有四个电子。因此，硅除了形成单质表现0价以外，既有可能失去外层的四个电子表现+4价（例如SiCl4），也有可能得到四个电子表现-4价（例如SiCl4）。
常见的硅单质是金刚石结构，空间群为P21/c。金刚石相硅单质的结构如图1.2所示，在此结构中，近邻的硅原子和硅原子之间通过共有各自的价电子进而形成共价键。
图1.2 金刚石相的硅单质，灰色的小球为硅原子，晶胞中总共有8个硅原子，分别居于顶点、面心和对角线连线的四分之一处。每个硅原子与周围的四个硅原子共享一个价电子，形成共价键，与同一个硅原子近邻的四个硅原子用线连起来会得到一个正四面体。
对人类来说，硅无疑是排行第一的半导体材料，与其他半导体材料相比，硅最大的优势在于便宜，硅在地球中的含量仅次于氧，排行第二。进入二十世纪中叶，随着半导体工业的不断发展，硅的成本越来越便宜，并最终以电子产品的形式走进千家万户。
进入二十一世纪，硅不仅继续在电子工业发挥作用，还成为了新能源行业的重要元素，因为极其低廉的成本，目前全世界绝大多数的太阳能电池都选择了单晶硅或者多晶硅作为吸收层。硅作为太阳能电池吸收层最大的问题在于最为常见的、金刚石结构的硅单质是间接带隙半导体，学过固体物理的人都知道，间接带隙半导体中用光将电子从价带顶激发到导带底的过程是一个二级过程，激发过程必须有声子参与，因此间接带隙半导体的光吸收系数明显小于直接带隙半导体。硅薄膜必须要制作得足够厚，这样才可以保证用硅制成的太阳能电池吸收层能充分地吸收太阳光。
2014年，H. J. Xiang、Bing Huang、Erjun Kan、Su-Huai Wei和X. G. Gong利用逆向能带结构设计方法得到了一种直接带隙的硅单质，采用HSE06的第一性原理计算结果表明，该材料的带隙为1.55 eV，非常接近太阳能电池材料的最有带隙1.45 eV。如果该硅单质被合成出的话，很有希望克服现在的硅材料光吸收系数低的弱点1。
1. H. J. Xiang, B. Huang, E. J.Kan, S. H. Wei, and X. G. Gong, Phys Rev Lett 110 (2013)
