太陽電池とは：半導体を使って光を電気に変えるしくみ

太陽電池とは

太陽光という自然エネルギーから発電できることから、クリーンかつ再生可能なグリーンエネルギーを生み出す装置として注目・活用されています。

基本の発電原理

ここでは、通常の材料と太陽電池を比較しながら、その仕組みを見ていきましょう。

私たちの身の回りの物質に太陽の光が当たると、多くの場合その光エネルギーは熱エネルギーとして使われます。たとえば、黒い服が熱くなったり、車のダッシュボードが暑くなるのはこのためです。

しかし太陽電池では、光エネルギーを「熱」ではなく「電気」として取り出すことができます。これは、半導体内部で光の力により電子が移動し、電流が発生するという仕組みによるものです。

通常の材料では、光が当たると電子は一時的に高エネルギー状態（励起状態）になります。

しかし、その電子はすぐに元の状態に戻り、その過程で余ったエネルギーを熱として放出します。これが「光でモノが熱くなる」仕組みです。

一方、太陽電池では励起された電子を、外部回路に電流として流すことができます。つまり、光のエネルギーを効率的に電気に変換し、取り出すことで発電しているのです。

発電原理：半導体を用いたpn接合

どんな材料でも発電できるわけではありません。太陽電池には、「半導体材料」が使われています。

その発電原理を理解するには、以下の3つの概念が重要です。

• バンドギャップ(band gap)
• 光電効果(photoelectric effect)
• pn接合(pn junction)

この3つを順番に見ていくことで、太陽電池の仕組みが明確に理解できるようになります。

バンドギャップ

通常、電子はエネルギーの低い「価電子帯」に多く存在し、より高エネルギーの「伝導帯」にはほとんど存在していません。

しかし、外部からエネルギー(たとえば光)を加えることで、電子を価電子帯から伝導帯へと移動させることができます。このとき、伝導帯に移動した電子は自由に動くことができ、電流として取り出すことが可能になります。

半導体のバンド理論とバンドギャップ

光電効果

• 光を当てていない状態

電子は基底状態(低エネルギー状態)にとどまり、電気エネルギーとしては利用できません。

• 光を当てた状態

電子が励起され、伝導帯へと遷移します。この高エネルギー状態の電子のエネルギーを電気として取り出せます。

つまり、太陽電池では光と電子の相互作用により、励起電子を生み出し、そのエネルギーを外部回路を通じて取り出しているのです。

なお、電子を励起するには、バンドギャップエネルギー以上の光エネルギーが必要です。バンドギャップは材料によって異なり、シリコンの場合は1.1ev、1100nm以下の波長の光を吸収します。

バンドギャップと波長の変換

pn接合：電荷分離のしくみ

しかし、単なる半導体材料に光を当てるだけでは、発電することはできません。

なぜなら、半導体に光を当てて励起された電子と正孔(ホール)は、そのままでは再び結合し、熱として失われてしまうためです。

この再結合を防ぎ、電荷を分離して電気として取り出すために活用されるのが、「pn接合」です。

この空乏層には内部電界が形成され、励起された電子と正孔を反対方向へと引き離します。以下の図はその模式図です。

• pn接合がない場合

生成された電子正孔対はすぐに再結合し、エネルギーは熱として失われてしまう。

• pn接合がある場合

光電効果によって生成した電子正孔対が、内部電界によって分離され、外部回路を通って電気エネルギーとして取り出すことができる。

このように、pn接合があることで、光で励起された電荷を効率的に分離・取り出すことができ、太陽電池として機能するのです。

半導体のpn接合とバンド構造