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再生可能エネルギーによる発電手段が注目される中、太陽光発電がその選択肢の一つとなっている。世界中のあちこちで大規模な太陽光パネルの設置工事が計画されており、主要な発電源となるのではと期待されている。
この記事では、太陽光パネルがどのような原理で電気を作り出すのかを書く。太陽光パネルにはpn接合型と色素増感太陽電池があるが、この記事ではpn接合型のものについて考える。
光起電力効果とは
光起電力効果とは、物体に電磁波が入射することで、その物体が起電力を生み出す現象のことである。
電子には、外部から電磁波を吸収すると、エネルギー準位が上がるという性質がある。太陽光パネルでは、太陽光を使って価電子帯の電子を伝導帯に引き上げる。この点は内部光電効果に似ている。
価電子帯は電子で埋め尽くされているため、伝導帯へ励起された電子があった場所は相対的に正に帯電していることになる。この正に帯電している場所のことを、電子の穴ということでホール(正孔)とよぶ。この光電効果によって、伝導帯に励起された電子は、価電子帯のホールと引き離されるのだ。
引き離された電子とホールの行方については後述する。
参考:光電効果とは
pn接合と光起電力効果
価電子帯中の電子は、太陽光を吸収することで伝導帯に行くことができる。電子にとってはp型半導体側よりn型半導体側のほうがポテンシャルが低いため、励起された電子はポテンシャルに沿ってn型半導体の方に流れていく。
同じようにして、励起された電子があった場所にできたホールは、p型半導体へ流れていく。電子とホールでは電荷が逆なため、上の図でいうと、ホールにとっては下に行くほどポテンシャルが高くなっていくことに注意すること。つまり、ホールはポテンシャルが低い上側に行きたがるため、p型半導体へ向かうのである。
継続的に光を当て続けると、電子とホールの移動によって、フェルミ準位が動いてくる。このフェルミ準位の変動分が、太陽光パネルがつくる起電力となる。
太陽光パネルの構造
接合部分に電磁波が入射すると、その部分でホールと電子の対が生まれる。そして前述したとおりに、生成されたホールと電子は、それぞれp型半導体、n型半導体の方向へ引き寄せられる。
ここで、p型半導体とn型半導体を結ぶ回路を作ってみる。すると、電子はホールと結びつこうとするため、その回路を経由してp型半導体へと向かう。以上が太陽光パネルで電流を流すメカニズムである。
まとめ
・pn接合型太陽光パネルは、光を使って価電子帯の電子を伝導帯へ励起させることで起電力をつくる。
参考文献
・吉野純一(1997)『電子工学の基礎』,コロナ社.
・冒頭の太陽光パネルの写真の出典『写真AC』(https://www.photo-ac.com/)
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