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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽電池の動作原理。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
私たちの多くは気づいていませんが、太陽光から電気を生成する方法は 100 年以上前から知られています。 光電気の現象は、1839 年にエドモンド ベクレルによって初めて観察されました。電気に関する彼の多くの実験の XNUMX つで、彼は XNUMX 枚の金属板を導電性溶液の中に置き、その装置を太陽光で照らしました。 驚いたことに、このプロセスで起電力 (EMF) が発生することを発見しました。 この偶然の発見は、1873 年にウィロビー・スミスがセレン板に光を照射すると同様の効果が生じることを発見するまで注目されませんでした。 彼の最初の実験は不完全ではありましたが、半導体太陽電池の歴史の始まりとなりました。 新しいエネルギー源を求めて、ベル研究所は今日の太陽光発電コンバータの前身となったシリコン太陽電池を発明しました。 50代前半だけですよ。 太陽電池は比較的高い完成度に達しています。 半導体理論の基礎 シリコンは現代のエレクトロニクスにおける主要な半導体材料です。 最新の太陽電池のほとんどもシリコンで作られています。 半導体は、良導体でも良絶縁体でもない物質です。 たとえば、銅は優れた導体であり、その範囲は非常に広いです。 電気エネルギーをある場所から別の場所に伝達する必要がある場合、銅は不可欠な補助剤です。 アルミニウムについても同様のことが言えます。 一方、ガラスの電気伝導率は無視できますが、良好な誘電体です。 電流の経路を遮断する必要がある場合、ガラス絶縁体がこの問題をうまく解決します。 ちなみに、最初の電話機のポールピースの絶縁体はガラス製でした。
半導体の電気伝導率は、これら XNUMX つの限定的なケースの間にあります。 いくつかの用途では、半導体は導体として機能し、他の用途では絶縁体として機能します。 しかし、純粋なシリコンは依然として絶縁体に近く、電気をあまり通しません。 その理由は、その結晶構造の特殊性によるものです。 シリコン原子は、いわゆる価電子の助けを借りて互いに接続されています。 これらのつながりを「手」と考えるのが最善です。 各シリコン原子には XNUMX 本のアームがあります。 ケイ素原子は非常に「社交的」で、孤独を好みません。 そのため、周囲の原子と「手」を繋ごうとするのです。 各原子には 1 つの「手」があり、その「手」で隣接する原子の「手」を受け取り、一緒になって図 XNUMX に示す格子を形成します。 XNUMX. その結果、原子の XNUMX つの「アーム」がすべて占有されます。 したがって、このような構造では自由電子 (「手」) が存在せず、自由電子がなければ電流はほとんど流れません。 エレクトロニクスのニーズにとって、この状況は容認できません。 電流が流れるためには、結晶に自由電子が必要です。 これは、元の物質に不純物を導入することによって実現されます。 このプロセスはドーピングと呼ばれます。 半導体ドーピング 結晶構造内の XNUMX つのシリコン原子を、価数 XNUMX の原子 (つまり、XNUMX つの「腕」を持つ原子) に置き換えたとします。たとえば、そのような原子はホウ素原子です。その「新しい隣人」の中に現れて手をつないでいると、この原子はすぐに XNUMX つの「手」が空いていることがわかります (著者は間違っています。価数を持つリン原子は、XNUMX 価に等しいドナー (自由電子の供給源) として、また、原子価が XNUMX に等しいアクセプターとして使用されます)。シリコン結晶に正電荷（正孔）を導入するには、価数が XNUMX であるホウ素原子が使用されます。 - 注編）
この無関係な「手」は自由電子に他なりません。 ホウ素原子は、その XNUMX つの「腕」のうち XNUMX つである電子が占有されていることに多かれ少なかれ満足しているため、XNUMX 番目の「腕」の運命については特に心配しません。 ほんのわずかな摂動でも、電子は「切り離されて」しまいます。 これがドーピングの本質だ。 結晶に導入する不純物が多ければ多いほど、より多くの自由電子が含まれ、シリコンの電流伝導性が向上します。 ドーピング中には、逆のプロセスが発生することもあります。 シリコン原子がリンなどの三価の原子に置き換わると、いわゆるホールが構造内に現れます。 その結果、結晶内に電子が不足し、電子を格子内に容易に受け入れることになります。 このような構造では、原子が電子を捕捉しようとするため、結果として生じる正孔は電子のない構造を通って移動します。 実際、電子は正孔から正孔へと移動し、電気を伝導します。 太陽電池製造 電子が不足したドープされたシリコン結晶と電子が過剰になったドープされた結晶を組み合わせたら、何かが起こるはずだと思うかもしれません。
XNUMX つの結晶が機械的に緊密に接触すると、表面近くの原子が互いに非常に接近するため、リン原子は余分な電子を容易に供与し、ホウ素原子はリン原子を容易に受け取ります。 その結果、結晶の電気的平衡が回復します。 ただし、結晶は非常に硬い構造をしているため、交換は互いに最も密接した原子間でのみ発生することに注意してください。 この接触領域の厚さは数個の原子のサイズを超えず、半導体の体積は変化しません。 もちろん、この効果を得るには、単に XNUMX つのシリコンを接合するだけでは不十分です。 シリコンは、高温拡散プロセスを使用してドープされるのが最も一般的です。 その結果、半導体の深さ方向に異なる不純物がドープされた領域の境界に、pn接合と呼ばれる極薄の界面領域が形成されます。 光から電気への変換が行われるのは、この領域内です。 フォトンと呼ばれる光の粒子が十分なエネルギーで pn 接合に衝突すると、電子がノックアウトされ、電子が自由になり、移動できるようになります。 次に、光子のエネルギーが電子に伝達されます。 この場合、結晶格子に穴が形成される。 遷移領域は平衡を維持する傾向があることに留意する必要があります。 光イオン化と呼ばれるこのプロセスは、pn 接合の領域だけでなく、太陽光が侵入する結晶の他の部分でも発生し、自由な電荷キャリア、つまり電子と正孔を生成するのに必要な十分に大きなエネルギーを持っています。 n 型材料には正孔が不足し、p 型材料には電子が不足しているため、正孔と電子は分離され、異なる方向に移動します。 しかし今はバランスが崩れています。 光子のエネルギーを受け取った電子は、その対蹠体（正孔）と再接続しようとし、これにエネルギーを費やす準備ができています。 残念ながら、pn 接合は電子が克服できないポテンシャル障壁です。 しかし、p 型と n 型の導体を持つ領域を導体で接続すると、この障害はうまく克服され、電子は「バックドア」を通ってその穴に「通過」します。 この場合、電子は途中でエネルギーを消費し、それを使用します。 太陽電池の特性 pn 接合は電子の移動にとって大きな障害物です。 しかし、それは抵抗できないとは言えません。 電子が光子から受け取るエネルギーは通常、この障壁を乗り越えて正孔と結合するには十分ではありませんが、常にそうとは限りません。
pn 接合のポテンシャル障壁の高さは約 600 mV (0,6 V) です。 600 mV を超えるエネルギーを持つ電子は、この壁を「登って」吸収される可能性があります。 したがって、太陽電池が発生できる最大電圧は 600 mV です。 ただし、実際の値は半導体材料の種類と太陽電池の設計によって異なります。
負荷を太陽電池に接続すると、よりエネルギーの高い電子を含む一部の電子のエネルギーが減少します。 その結果、太陽電池の総電圧とpn接合障壁を乗り越えることができる電子の数が減少します。 負荷抵抗が増加すると、負荷抵抗を通じて「送り出される」電子の数が増加し、電圧はさらに低下します。 しかし、ある時点で奇妙なことが起こります。 450 mV (0,45 V) では、電圧は減少し続けますが、電流 (電子束) は増加を停止します。 電流の「プラトー」に達します。 この現象は、pn 接合に入射するフォトンの数が有限であることに起因します。 より多くの光子が pn 接合に到達すると、より多くの電子が放出されることが知られています。 より多くの光子 - より多くの電流。 しかし、文字通り、pn 接合に入ったすべての光子が使用され、自由電子の数、したがって電流が増加しなくなる時が来ます。 これは、太陽電池の特性における「プラトー」の出現に相当する。 もちろん、自由電子の数は表面積と光の強度にも依存します。 明らかに、セル面積が増加すると、より多くの光子が捕捉され、電流が増加します。 同様に、光の強度が増加すると、特定の領域内の光子の濃度が増加し、電流も増加します。 太陽電池効率 通常、地表に到達する太陽光の平均強度は100mW/cm2と考えられます。 言い換えれば、10x10 cm2 の太陽電池は理論的には 10 ワットの電力を生成する必要があります。 残念ながら、太陽電池はそのような電力を生成できませんし、生成することもできません。常に損失が発生します。 これまでに達成された最高の効率 (効率係数) は (実験室のカスケード光電池を使用した場合でも) 約 30% です。 従来のシリコン太陽電池の効率は 10 ～ 13% の範囲です。 面積100cm2の素子は約1ワットの電力を生成できます。 もちろん、太陽電池の効率は多くの要因に依存しますが、その中で最も重要なのは周囲温度の変化です。 温度が上昇すると、結晶格子が励起され、その原子の振動がより激しくなります。 これにより、構造内の電子のエネルギー準位が増加します。 時間が経つにつれて、電子のエネルギーレベルが非常に上昇し、電子のほとんどが pn 接合のポテンシャル障壁を克服できるようになると、半導体内での再結合が急激に増加します。 これにより、グリッドコレクタに到達する電子の数が減少し、負荷の電流が減少します。 一方、低温は光電効果の実際の向上に寄与します。 温度の上昇に伴って太陽電池の効率が低下する主な理由は、pn 接合のポテンシャル障壁の値が減少することであり、これによりセルによって生成される電圧が低下します。 著者：バイヤーズT。
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