アモルファス半導体の特性をご存知の方いらっしゃれば教えてください。
1.普通の半導体との違いは?
2.なぜ太陽電池を作るのに適しているのか。

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A 回答 (7件)

太陽電池に適している根拠ですが、安上がりという理由の他に、使用するシリコンの量が単結晶、多結晶の太陽電池より大幅に少なくてすむというのがあります。


具体的な数値については自信がありませんが、太陽光を吸収するのに、単結晶シリコンでは数100ミクロンの厚さが必要なのに対し、アモルファスでは数ミクロン程度で良いという差があったと記憶しています。
そのため、変換効率が高いのは単結晶の太陽電池ですが、太陽電池を造るのに投入したエネルギーを回収するまで、単結晶では10年、アモルファスでは1年で済む、という効果もあります。

アモルファスの太陽電池は蒸着によって作られますので、大面積での製作が可能というほか、瓦のような形にできるなど、その形が自由に出来ること、プラスチックを基盤にすればフレキシブルな太陽電池の製作も可能となります。
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いろいろと参考図書等の推薦がなされてますので、かなり基本的な説明として読んでください。



まずアモルファス半導体→「アモルファス」+「半導体」で別個に理解する方が分かりやすいのではないでしょうか?
アモルファス=非晶質、半導体=伝導帯と荷電子帯間のエネルギー差(エネルギーギャップorバンドギャップエネルギー)がほどほどに大きい物質。絶縁体より伝導度が高く、良導体(金属)より伝導度が低い。
つまりアモルファス半導体とは結晶構造を有しない(※長周期的に見て)半導体ということになります。
普通の半導体というのが何を指してらっしゃるのかは分かりませんが、アモルファスとの対比でいうと結晶性の半導体という意味でしょうから、それとの違いという意味で説明しますと、まず(1)キャリアの移動度が小さい(2)不純物の影響が小さい(ドーピング効果を得にくい)(3)表面凹凸が一般にフラットで、またピンホール等が少ない(4)バンドのテイル状態が存在する、、などなどまだあるかもしれません。

次になぜ太陽電池を作るのに適しているのか、というご質問ですが、plo_olqさんのおっしゃるように製造コストの問題が一つの要因であると考えられます。太陽電池に必要な特性は変換効率はもちろんのこと、大面積でフラットな表面をいかに得るかという問題も重要です。単結晶Si太陽電池を作る際には、変換効率という点では良いのですが、大面積のものを得ることは非常に困難で、これを克服しようとするとコストがかさみます。一方アモルファスSiの場合には変換効率はそこそこですが、大面積のものがえやすいという性質があり、コスト的にはこちらの方が安くつくわけです。ただ変換効率の点はアモルファスSiにおいてもあるテクニック(ダングリングボンドの水素終端)を使うことでかなり変換効率を上げることが可能となています。
太陽電池は結構種類があるのでその用途によって単結晶のものを使うのか、多結晶のものを使うのか、アモルファスのものを使うのかその都度選択されているようですよ。
以上です。
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追加情報です。


「アモルファス」で成書を検索すると以下のものがあります(内容未確認!、一部金属も含むかも・・・?)。
--------------------------
1.アモルファス半導体/清水立生/培風館/1994.5 
2.アモルファスシリコン/田中一宣/オーム社/1993.3 
3.光材料―アモルファスと単結晶/安井至/大日本図書/1991.5 
4.超伝導・アモルファス材料/中嶋貞雄,桜井良文/日本学術振興会/1990.2 
5.アモルファスめっき法とその応用/増本健,渡辺徹/日刊工業新聞社/1990.12 
6.アモルファス薄膜の評価/井村健/共立出版/1989.9 
7.シリコン系アモルファス半導体データブック/日本電子工業振興協会…/日本電子工業振興協会…/1985.3 
8.クリスタル(結晶)とアモルファス(非晶質)/東レ科学振興会/〔1985〕 
9.アモルファス/桑野幸徳/講談社/1985.10 
10.アモルファス材料/井野博満/東京大学出版会/1985.2 
11.未来をひらく新材料―アモルファス/北田正弘/日経サイエンス/1984.8 
12.未来への工学/2/日本工学会/コロナ社/1984.8 
13.アモルファス太陽電池/高橋清,小長井誠/昭晃堂/1983.8 
14.アモルファス/作花済夫/共立出版/1983.11 
15.神が造れなかった新素材/テクノサイエンス研究…/朝日出版社/1983.10 
16.最新アモルファスSiハンドブック/高橋清,小長井誠/サイエンスフォーラム…/1983.3 
17.アモルファス応用製品の現状と将来性/総合技研/1982.7 
18.アモルファス半導体の基礎/田中一宜[他]/オーム社/1982.5 
19.アモルファス電子材料/サイエンスフォーラム…/1981.2 
20.アモルファス半導体の構造と物性に関する基礎研究/〔松原武生〕/1980.2 
--------------------------------
ご参考まで。
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以下のサイトは参考になりますでしょうか?


1.http://www.hit-u.ac.jp/commerce/thesis/shimamt1. …
(サンシャイン計画と太陽光発電産業の生成)
「アモルファスシリコン太陽電池」の登場の概略(?)が記載されてます。
2.http://www.laser.ee.es.osaka-u.ac.jp/ap/1998/ob6 …
(アモルファス半導体の構造)
3.http://mech.gifu-u.ac.jp/~wakailab/thermal/chapt …
(新エネルギー技術のいろいろ)

ご参考まで。
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この回答へのお礼

どうもありがとうございます。昨日も市内の一番大きな本屋に行ってきたのですが、文献がみつからず往生していたところでした。
特に2番、自分の知ってる応用物理出身者および在学者に問い合わせて見ます。
1番は変わった内容でしたね。でもアモルファス半導体が意外と古い歴史を持つものだということがわかりました。教科書があまり出ていないのは、理論構造があまりわかっていないからなのでしょうか...。それとも東京の本屋にはたくさんあるのかな?
とりあえず近所の国公立大学の大学図書館をねらって攻めてみます。
どうもありがとうございました。

お礼日時:2001/01/29 23:53

アモルファス半導体が太陽電池に使われるのは、


製造コストが単結晶のものよりも安くあがるからだったと思います。

実際に変換効率は、単結晶シリコンを用いた方が良かったはずです。

太陽電池について、調べればその原理は載っていたと思います。
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この回答へのお礼

なるほど。コストですか...。
実は今あるアイディアがあって、その実現可能性を探ってます。
コストが安いというのは非常に好材料なので、
実現可能性が+の方向に傾きました。
そのうち第2段、第3段の質問が飛びますので、
そのときもよろしくお願いします。
アイディアもそのうち公表します。
僕は物理系(理論)のことには結構詳しいので、
こちらからもそのうちお手伝いさせてください。

お礼日時:2001/01/28 09:51

これともう一つ関連ある質問をされていますが...



arai163 さんが書かれているようにページ検索するか,
百科事典,理化学辞典などをまず参照されてはいかがでしょう.
もっと詳しいことが知りたければ,一般向けの解説書から
専門書までこの分野は沢山本がありますよ
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この回答へのお礼

半導体の定義、アモルファスの定義をあいまいにしか覚えていなかったもので、
どういったものなのかちょっと知りたくて質問しました。
WEBでは「アモルファス半導体 原理」で調べたのですが、
原理自体を教えてくれるものはありませんでした。
明日本屋に行って調べてみます。どうもありがとうございました。
物理書のコーナーより工学書のコーナーの方がありますかね。
基礎理論をさらっと流し読みしたい感じなのですが...。

お礼日時:2001/01/28 02:25

ブラウザで検索されました?


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外部電圧V=Vth ですね。
だから内部電圧が2倍のVthの時に最大電力を取り出せる。
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太陽電池作る人は大変努力していますね。ご苦労さんです。
以上

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電池の内部電圧V、内部抵抗R1、出力抵抗R2
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簡単に言うと、
PN接合によって荷電子帯/伝導帯に傾き(電子の偏り)が生じます。
そして光照射によって励起されされた電子/正孔が、
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N型半導体は光励起によって生成した、電子を分離する役割を持っています。
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専門として太陽電池や光触媒、半導体の反応系必要な知識はほとんど下記のURLの講義ノートや触媒についての項で記述してあります。
下記のURLや、他の企業等の太陽電池のHPは検索サイトでキーワード(太陽電池、光触媒、PN接合、等)を打ち込むと簡単に出てきますよ。

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No.1でymmasayanさんが紹介しておいでのサイトは丁寧に説明してあると思います。敢えて申し上げますなら、ある程度知識がある人向けに書かれているため初歩の部分が少し省かれています。その部分を適宜補い、またモデルを少し簡略化しながら説明してみたいと思います。

太陽電池は基本的に半導体のpn接合でできており、大雑把に言えばpn接合ダイオードとです。ご存じかと思いますがpn接合ダイオードは、P型半導体とN型半導体がくっ付いた図1のような構造をしています。太陽電池の動作を知るためにはまずpn接合ダイオードのV-I特性を理解している必要があります。

┏━━━┯━━━┓
┨P型 │ N型┠
┗━━━┷━━━┛
図1 PN接合ダイオードの構造

さてダイオードの特性ですが、最初の段階では「順方向電圧をかけると電流が流れ、逆方向電圧では流れない」と定性的に取扱われます。これを電圧V-電流Iのグラフとして示すと図2のようになります。順方向では抵抗ゼロ、逆方向では抵抗無限大ということになります。(理想ダイオード)

    ↑電流I
    ┃
    ┃
    ┃
    ┃
━━━━┛───→電圧V
    │
    │

図2 理想ダイオードの特性

しかし実際のダイオードの特性はこれから少し外れます。統計力学を使って計算するとpn接合ダイオードのV-I特性として次式が得られます。この式の導出は半導体物性や半導体デバイスの初歩の教科書に必ず出ていますから、必要なら読んでみてください。
 I=I_0×[exp(qV/kT)-1]  (1)
qは電気素量、Vはダイオードにかける電圧(正負両方あり)、kはBoltzmann定数、Tは絶対温度です。I_0については後述します(下付き文字を"I_0"(アイゼロ)のように表現しています)。exp(x)はご存じかと思いますが、指数関数e^xのことです。

(1)式の挙動として、次のことを押さえておいてください。
- Vを正の値で大きくすると、電流Iは急激に増加する
- Vを負の値で大きくすると、電流Iは - I_0に漸近する(どこまでも増えるわけでなく飽和する)
- 当然ながら、V=0でI=0となる
このI_0のことを「逆方向飽和電流」といいます。koukさんのご質問の文章では代わりに「逆方向飽和電流密度」として与えられていますが、逆方向飽和電流密度×ダイオードの断面積=逆方向飽和電流の関係で換算できます。
これらの関係を図3に示してみました。表現の制約からあまり上手くは描けませんが、雰囲気は掴んで頂けると思います。

    ↑電流I
    │  *
    │  *
    │ *
    │*
────*───→電圧V
**** * │←ここが -I_0
    │

図3 実際のダイオードの特性


ではいよいよ、太陽電池の特性の話に移ります。
太陽電池は光を当てるとその内部で電子-空孔のペアが発生します。内部電界の存在により、電子はただちにn型半導体の側に、空孔はp型半導体の側に移動します。この挙動は電流源のそれに近いものです。また発生する電流は当てる光の強度におおよそ比例します。
よって太陽電池の粗い等価回路は、図4のようにダイオードDと電流源の並列接続として表現できます。I_sは電流源単体での出力電流で、出力端子A-B間を短絡すればそこに電流I_sが流れますから、これが短絡電流ということになります。なお先程と同様、短絡電流密度×断面積=短絡電流の関係が存在します。

  I_s→ 出力端子A
 ┌──┬─○←電流I
 │  │D 
(↑) ▼  ↑電圧V
 │   ̄
 └──┴─○→電流I
      出力端子B

図4 太陽電池の(粗い)等価回路

この出力端子A-B間に電圧Vをかけ、Vを変化させながらA-B間を流れる電流がどうなるか考えてみましょう。
まず太陽電池がまったく発電していない状態(I_s=0)でのV-I特性ですが、この場合は電流源を取り除いても動作としては同じですから(電流源の内部抵抗は無限大として扱われる点に注意)、単にダイオードのV-I特性を測定していることになります。よって図3と同じ結果が得られます。

次に太陽電池に光を当てて発電させてみましょう。電流源はI_sだけの電流を発生しますから、端子A-B間に同じ電圧Vを掛けたとしても、流れる電流は発電していない時に比べI_sだけ減ります。(電圧源の内部抵抗はゼロとして扱われる点に注意)
となると話は簡単でして発電している時のV-I特性は、図3のV-I特性をそのまま下にI_sだけずらせばよいのです。これを図に表したものが図5で、注目すべきはV-I特性の曲線が第四象限にかかってくるということです。すなわち「正の電圧がかかっていても、反対方向に電流が流れる」ということで、これは太陽電池(の等価回路)が外部に電力を供給していることを意味します。

    ↑電流I
    │  *
    │  *
────│─*─→電圧V
    │*
    *
**** * │←ここが -I_0 -I_sになる
    │

図5 発電時の太陽電池のV-I特性

これで大体お分かり頂けたと思いますが、図4の等価回路の場合、太陽電池のV-I特性は
 I=I_0×[exp(qV/kT)-1] - I_s  (2)
ということになります。koukさんは電流密度で質問しておいでですのでそれに沿った形に書き改めると、電流密度をJ、逆方向飽和電流密度をJ_0、短絡電流密度をJ_sとして、
 J=J_0×[exp(qV/kT)-1] - J_s  (3)
となります。
ymmasayanさんがご紹介のページは、内部抵抗や漏れ電流なども考えてもう少し精密にモデル化した等価回路で計算しているわけです。ただ初歩の段階ではそこまで考えると複雑ですし、既知の物理量が短絡電流密度、逆方向飽和電流密度、絶対温度だけだとすると上記の簡単なモデルで解く方法で差し支えないと思います。

No.1でymmasayanさんが紹介しておいでのサイトは丁寧に説明してあると思います。敢えて申し上げますなら、ある程度知識がある人向けに書かれているため初歩の部分が少し省かれています。その部分を適宜補い、またモデルを少し簡略化しながら説明してみたいと思います。

太陽電池は基本的に半導体のpn接合でできており、大雑把に言えばpn接合ダイオードとです。ご存じかと思いますがpn接合ダイオードは、P型半導体とN型半導体がくっ付いた図1のような構造をしています。太陽電池の動作を知るためにはまずpn接合...続きを読む


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