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foolな質問かもしれませんが、太陽電池は、光電効果によって、光子が太陽電池の物質中の電子を叩き出し、これら電子の集団が電流となっているのだと雑に理解しています。これが正しいとして、外部から電子の供給がなければ、いずれ、太陽電池中の電子が枯渇する、とまではいかずとも、―の電荷を失っていくことで、+の電荷を帯びるようになり、飛び出ようとする電子にクーロン力が働き、電流が流れにくくなるのではないか、と考えるのですが、どうなのでしょうか?実際は、閉回路中の電池のように、流れ出すとともに、流れ込む電子もあるということなのでしょうか?

質問者からの補足コメント

  • ざっと調べてみたのですが、正孔と電子が入れ替わるようになることで、電流が流れると理解してよろしいのでしょうか?電子が抜けた後が+電荷の正孔になるというより、電子の抜けた後に正孔が「来る」というイメージです。単に電子が抜けただけだと、後には0電荷の状態が残ると思うのです。+電荷の正孔が「入れ替わりにやってくる」のでなく、「できる(発生するというべきか)」ということだとしたら、そこに電子が戻ってきたとき、±0の状態になってしまうと思われるのですが。

    No.2の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2021/10/12 13:09
  • 「太陽電池では、電子と正孔が流出する数と同数が流入することで、全体として電荷0の状態を保っている。あるいは、正孔は電池内で移動するだけで、電子が流出とともに流入する」と考えられるのではないかと思います。

      補足日時:2021/10/13 11:16

A 回答 (6件)

光によって電池効果が生じる為には、(1) 陰, 陽二つの電極があって、(2)それら電極の間に光が照射されることで正, 負の電荷が生じて、(3)生じた電荷の少なくとも片方が電極間を移動することが必要です。

さらに、(4)が起こる為には、電極の間に元から電位差が存在していなければなりません。
A. E. ベックレルは1839年に、電解質溶液内に2 個の電極を置き,その一方に可視光線か紫外線を照射すると,両極間に電位差が生じることを観測しました(ベックレル効果)。この現象は、電極のごく近くの溶質原子が光によってイオン化して、生じた電子は電極に移り、溶質原子+イオンが溶液中を他方の電極まで移動して生じたもの予想できます。さらに、二つの電極には異なる金属を用いていたと推定します。すると、それぞれの電極の溶質に対する接触電位差が異なって、(光が当たらなくとも)電極間に電位差が生じます。発生した電子は接触電位が高い方の電極側に移り、正電荷を持ったイオンは接触電位が低い方の電極に移動します。
二つの電極端子の間を電線で接続すると、外部電流が正イオンが動いた分だけの電流が接触電位が低い方の(陽)電極から高い方の(陰)電極に流れ得ることになります。なお、この電池の電圧は、二つの電極材料の接触電位差になります。

太陽電池はシリコンで作ったpnダイオードがほとんどですが、色素増感太陽電池はベックレルの電池に似ていて、電解質としてヨウ素溶液等を用いてます、またCIS太陽電池はp形半導体の特性を有する銅Cu, インジウムIn, セレンSeの化合物を電極表面に薄く塗って、その上に(n形半導体として働く)透明電極を形成してます。
pnダイオードとCIS太陽電池では半導体を使ってますが、p形半導体の内部電位はp形半導体よりも低いです。このため、どちらもp形半導体側が陽電極(+電位)になります。

結局、「太陽電池は、光電効果によって、光子が太陽電池の物質中の電子を叩き出し、これら電子の集団が電流となっている」という考えは大きく間違ってないものの、的を得ているとは言い難いです。光は、電子だけでなく、正と負の電荷を有する荷電体を作り出します。そして、両者とも移動し得るからです。また、半導体中の正, 負の電荷発生は、通常 光電効果というよりも対発生と呼ばれてます。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2021/10/22 10:21

「流れ込む電子もあるということなのでしょうか?」⇒そのとおりです。


「電子を叩き出す」というより、「電子を流す」のイメージです。流れるプールで水流を作るイメージ。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2021/10/20 09:55

No.2 です。

「補足」について。

>正孔と電子が入れ替わるようになることで、電流が流れると理解してよろしいのでしょうか?

はい。
半導体接合部の空乏層には、空乏層の両側の電荷(一方が正電荷リッチ、他方が負電荷リッチ)による電場ができています。
そこに発生した「電子」は、隣の原子に移動しますが、そこに「電子の空き = 正孔」ができれば、その隣(電子が移動したのと逆側)の電子がその正孔に流入し、最初の電子があった場所は「中性」に戻りますが、その隣に新たな正孔ができることになります。
その正孔に、さらに隣(電子が移動したのと逆側)の電子が流入し、・・・
ということを延々と行います。
つまり、電子が「右方向」に流れて行ったら、それを次々に埋める電子が右方向にずれて来るので、正孔はその逆の「左方向」に動いて行くように見えます。

その「電子の移動」「正孔の移動」が電流です。
より正確なイメージでは、「1個の電子が右方向に進んで行く(他の電子は知らん顔)」のではなく、「電子が右隣りの電子を押し、それがさらに右側の電子を押し・・・」というような「おしくらまんじゅう、ところてん」のようにして電子が押し合いながら移動していくのが電流のイメージです。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2021/10/13 09:26

太陽電池は光電効果によっているのではありません。

光起電力あるいは光励起といって、半導体中で電子が占める準位を、光子によって高い準位に上げるものです。詳しくはhttps://unit.aist.go.jp/rpd-envene/PV/ja/about_p …を見てください。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2021/10/12 12:29

光電効果によって「物質」の電子が空気中に飛び出すので、放っておくと空気中が「電子だらけ」になってしまいます。


なので、いつの間にか空気中の電子が「物質」に戻っているのです。

太陽電池は、電子が空気中に飛び出すのではなく、半導体の接合部の「空乏層」の部分の電子が半導体中に飛び出し、電子の抜けた後には「正孔」というプラスの電荷ができます。「電子」(負電荷)と「正孔」(正電荷)の数は同じで、「電子」が流れるのと同様に、「正孔」は電子と逆方向に流れ去ります。従って「―の電荷を失っていくことで、+の電荷を帯びる」ことはありません。「+の電荷も流れ去って失っていく」のです。
両方が流れ去ったあとは「プラスでもマイナスでもない」状態になって、新たに次の「光による電子のたたき出し」が起こるようになります。

こんな説明が分かりやすいかな?

https://unit.aist.go.jp/rpd-envene/PV/ja/about_p …
この回答への補足あり
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2021/10/12 12:28

おはようございます。



普通の電池と同じで、何かしら負荷(電気製品など)があって、プラスとマイナスのケーブルの両方が繋がっていますよね? マイナス側から出た電子も負荷を通って、また電池に戻ってきますね。 電子は枯渇しないですね。

https://unit.aist.go.jp/rpd-envene/PV/ja/about_p …
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2021/10/12 12:27

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