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文系素人で太陽光発電の仕組みを独学しているものです。

単結晶シリコンセル、pn接合の仕組みを調べています。
パネルに太陽光を当てると光起電力でpn接合分の空乏層に正孔と電子のペアが発生し、
電子はN型に移動して、正孔はP型に移動するとのことですが、このことで疑問があります。

・光起電力で発生した電子正孔ペアは新しく発生したものでしょうか?
それとも結びついていた正孔と電子が分離したものでしょうか?
・電子は正孔に引きつけられ、正孔は電子に引きつけられると思っていたのですが、
光起電力で発生した電子は、P型の正孔に引きつけられて新しい空乏層を形成したりしないのでしょうか?電子がN型に移動するのは何か力が働いているのでしょうか?

A 回答 (4件)

シリコン原子の最外殻電子軌道に元来拘束されている電子が何らかの形態でシリコン結晶中を移動し得る状況になって、それと同時に、それを補完する電子の形態が現れて、やはりシリコン結晶中を移動し得る状況が出現することが起こり得ます。

前者は負電荷を有しており”自由電子”と呼ばれ、後者は正電荷を有しているので”正孔”と呼ばれる。この現象は、熱運動でも起こりますが,室温では極くわずかなもので、数百度以上にならないと目立ちません。ところが、特定の振動数の光がシリコンに照射された時には多く起こります。光のエネルギーが熱運動よりも遥かに大きい為です。
・このような”自由電子”と”正孔”が発生する現象では、新たに電子のような物体が生まれる訳ではありません。また、前もって”正孔”に当たるものがシリコン結晶にはっきりと存在していた訳でもありません。元からの最外殻電子軌道にあった電子群の組み合わせが変わって、上記のような状況が出現するものと考えるのが無難です。(はなはだ煮え切りませんが、これが貴方の1つ目の質問の回答です)
・正孔と自由電子は互いに引き合いますが、それでも両者はある割合で存在し得ます。それは、水溶液中にH+イオンとOH-イオンが共存している状況に似てます。
・半導体を用いた太陽電池では、p領域とn領域の間に照射された光だけが発電に寄与します。しかしながら、p領域やn領域に照射された光も”自由電子”と”正孔”を発生させています。ただ、p領域とn領域の境界には(p領域側を基準にして) n領域側が0.数V程度高い電圧になってます。この電位差の為に、両者の境界領域で発生した正孔と自由電子はそれぞれp領域とn領域に移動します。(これが、貴方の2つ目の質問の回答です)
そして、このp-nダイオードの外側に結線すると、n領域に入った自由電子がn領域の電極から外部に流れ出して、電線を伝ってp領域電極に到達して、p-n接合部からp領域に入って来た正孔と再結合することで電流の経路が一巡することになります。
・ちなみに、太陽電池の必要条件は、電位差が存在する領域に光が照射された時に+, -電荷を有する電荷担体が発生することです。シリコン等の半導体以外にも、合金の組み合わせや有機材料で作られる太陽電池もありますが、いずれもこの条件を満たすものです。
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空乏層でe(電子)とh(ホール)が発生するは、結びついていた正孔と電子が分離したものです。


これが、空乏層内の電界でeはN型、hはP型部分に送られます。これが拡散現象により、端子部に送られます。電流源となりますが、これにより発生したPN間電圧が大きくなると、これによりPN間に電流が流れ(逆流)外部に取り出せなくなります。
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>・光起電力で発生した電子正孔ペアは新しく発生したものでしょうか?


>それとも結びついていた正孔と電子が分離したものでしょうか?

正孔は電子の抜けた穴のようなもの。
価電子がエネルギーを得て自由電子になると、
元居た場所が空きになります。それが正孔です。

なので、分離とか発生とかは本質的に同じことです。

空乏層は、PとNの境界の僅か数μmの層で
強力な内蔵電界を持っています。
この中に電子-正孔のペアが入り込むと
引きちぎられます。

電子-正孔はほっておけば再結合して消えてしまいますが、
それまでに空乏層にたどり着けば消えません。
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新しい空乏層が出来るから電子の移動で電流となる

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