光起電力効果とは

 太陽電池の発電のしくみである「光起電力効果」を、結晶系シリコン太陽電池を題材として少し専門的に説明すると以下のようになります。

n型半導体とp型半導体

 シリコン原子だけで構成された半導体は真性半導体と呼ばれ、結晶中に電子の過不足がない半導体となります。

 一方、シリコン原子よりも多くの最外殻電子(※)を持つリンなどの原子をシリコン原子に極少量加えて結晶を作ると、マイナスの電荷をもつ自由電子が多めに存在するn型半導体となります。

 これに対し、シリコン原子よりも最外殻電子が少ないホウ素などの原子をシリコン原子に極少量加えて結晶を作ると、電子がすることで発生するプラスの電荷をもった正孔が多めに存在するp型半導体となります。

 ※最外殻電子は原子核から一番遠いい軌道に存在する電子で、原子同士の結合に使用されます。

p型半導体とn型半導体

pn接合

 n型半導体とp型半導体という2種類の半導体を接合すると、n型半導体からp型半導体へ向かって自由電子が、p型半導体からn型半導体へ向かって正孔がそれぞれ移動し、自由電子と正孔が結合しお互いの電荷を打ち消しあう「拡散」という現象が発生します。

拡散

空乏層と内蔵電界

 拡散により接合面付近のn型半導体では電子が不足してプラスに帯電した状態となり、接合面付近のp型半導体では電子が余分に存在してマイナスに帯電した状態となります。

 この接合面付近は拡散による帯電で発生した電位差(内蔵電界)とともに、自由電子も正孔も存在しない空乏層と呼ばれる領域が発生します。

 この空乏層に光が当たると、光のエネルギーを吸収した電子がシリコン結晶中から飛び出すことで、新たな自由電子と正孔が発生します。

 この自由電子と正孔は内蔵電界に沿って、自由電子はn型半導体へ正孔はp型半導体へ移動し電流を発生させます。

空乏層と内蔵電界

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