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太陽光発電の仕組み・メカニズム

太陽光発電の仕組み・メカニズムを初心者向けにわかりやすくお伝えしたい。仕組みを理解する前に「電子」と「半導体」のことをお話したい。

電子とは?

電子は高校時代の理科の授業でやったかもしれないので改めておさらいしておこう。電子は原子の周りを回っていてマイナスの電荷を帯びている。電子は電子で表現する。逆にプラスの電荷を帯びているものを陽子といい陽子の記号で表現する。原子の周りにある電子と陽子の数は同じで、原子としてはプラスマイナス0で電気的には中性となる。電子は原子核の周りを一定に回っている。

シリコンの原子

半導体を構成するシリコン(Si)原子で見ていくと、電子が14個Si原子のまわりを回っている。電子の軌道には名前がついていて原子核に近い部分から、K殻、L殻、M殻と3つの軌道がある。K、LはSi原子の引力に引きつけられて安定して軌道上を回っているが、最外殻のM殻をまわる原子は外部からのエネルギーによって飛び出す可能性がある。この時の電子を「自由電子」と呼ぶ。自由電子はマイナスの電荷を帯びており、プラス電極に向かって移動していく。これが電流の流れとなる。電子はマイナスからプラス側へ移動し、電流はプラスからマイナス側へ流れる。

半導体

電気を流す物質、流さない物質として導体、絶縁体とよぶ。導体には銅や鉄などが挙げられ、絶縁体はガラスやゴムが該当する。それでは半導体とは一体何か?半導体は絶縁体と導体の中間の性質を持っている。上でも出てきているが半導体にはシリコンやゲルマニウムといった物質が該当する。太陽光発電で主に使われているのはシリコン(Si)。前章のとおりシリコン原子は14個の電子を持っていて原子核の周りを安定的に回っている。最外殻のM殻にある4個の電子はまわりのシリコン原子の4個の電子と手を握り合っている状態(共有結合)している。

エネルギーバンド構造

3層構造を先に示しておく。 |価電子帯|禁止帯|伝導帯| このなかで電子は価電子帯のなかで安定構造をとる。禁止帯は電子が存在できない部分であり、一方で伝導帯は電子が自由に動ける部分となっている。価電子帯に存在している電子が外からのエネルギーによって飛び出し、禁止帯を超えて伝導帯に入ると電子が自由に移動できるようになる。絶縁体はこの禁止帯の幅が広く飛び越えることができない、一方で導体は伝導帯への移行が簡単で多くの電子が流れ、電流が流れやすくなる。また半導体は外からの大きなエネルギーによって電子が飛び出し禁止帯を超えて伝導帯に移行して自由に動き回る。通常状態では半導体の伝導帯部分は電子が少ないため電流は流れない。

PN接合

太陽電池はP型、N型とよばれるシリコンを貼りあわせて作られる(PN接合)。N型の受光面に光が入射するとマイナスの電荷を持つ電子と、プラスの電荷を持つ正孔が生まれる。正孔とは電子が抜けた後の穴で陽子の電荷を持つ粒子のように振る舞う。電子はN型シリコンのほうに、正孔はP型シリコンのほうに集まっていく(ドリフト電流)。このときそれぞれのシリコンに取り付けた電極に回路を接続することで、マイナスからプラスへ電子が流れ、プラスからマイナスへ電流が流れる。

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