太陽電池の原理(n型半導体,p型半導体,pn接合,電子,正孔)

太陽電池の原理について説明します。

n型半導体、p型半導体

原子は中心の原子核とその周りを回る電子から構成されます。この電子は複数の軌道で原子核の周りを回っています。この軌道のうち一番外側の軌道を回る電子を価電子といい、この数が重要な意味を持ちます。


さて、シリコン系半導体を例にします。シリコン結晶はこの価電子が4です。この4つの電子を共有してひとつの原子が他の4つのシリコン原子と結合して、安定した状態を保っています。ここに価電子数5のリンを添加(ドープ、ドーピング)します。するとリンも周りの4つのシリコン電子と共有結合しますが、リンは価電子数5とシリコンの4より1つ多いので、一つの電子が余ることになります。この余った電子が半導体中を自由に動き回っています。このような半導体をn型半導体といいます。


今度はシリコン結晶に価電子数3のホウ素を添加します。ホウ素はシリコンより価電子数が1つ少ないので、電子が不足していることになります。これを、電子の入っていない穴、正孔といいます。正孔は半導体中を自由に動き回っています。このような半導体をp型半導体といいます。

半導体のpn接合

p型半導体とn型半導体を接触させます。すると境界面付近では、p型の正孔とn型の電子が結合して消滅し、電子も正孔もない領域が発生します。この領域を空乏層といいます。この空乏層の存在で内部電界が発生し、n型の電子とp型の正孔は反対側に移動できなくなります。

光発電

ここでpn接合半導体に光を照射します。接合部分に光が当たると、光のエネルギーにより電子と正孔が発生します。これをきちんと表現すると、半導体の価電子が光(光子)によって励起される 、という言い方になります。内部電界の作用で、その電子はn型半導体側に集まります。ここでn型とp型を回路でつなぐと、回路に電流が流れます。n型側は負極(-)、p型側は正極(+)となります。光の当たっている限りこの発電力は持続します。これが光発電、つまり太陽電池の原理です。

わかりやすく

上記の説明は分かりにくかったかもしれません。簡単には、太陽電池は次の原理です。


太陽電池にはn型とp型という性質の異なる半導体を接合した半導体を使用します。この半導体に光が当たると、マイナスの粒子(電子)とプラスの粒子(正孔)が発生し、電子はn型側に、正孔はp型側に集まります。そこで両側を電球などの回路でつなぐと、電流が流れます。

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