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PN接合型光起電力の原理

1940
  • Russell Ohl
P-N junction in a solar cell demonstrating semiconductor physics.

(画像はイメージです)

A solar cell’s core is a p-n junction, an interface between p-type and n-type 半導体 materials. This junction creates a built-in electric field in a depletion region. When photons with sufficient energy strike the semiconductor, they create electron-hole pairs. The electric field separates these charge carriers, driving electrons to the n-side and holes to the p-side, generating a voltage.

pn接合は、ほとんどの太陽電池の基本的な構成要素です。これは、正孔(正電荷キャリア)が過剰なp型半導体と、電子(負電荷キャリア)が過剰なn型半導体を接合することによって形成されます。これは通常、シリコンなどの単一の半導体結晶の両面に異なる不純物をドーピングすることによって実現されます。

界面では、n側から電子がp側へ拡散し、p側から正孔がn側へ拡散します。この拡散プロセスは無限に続くわけではありません。電子と正孔が接合部を通過すると、再結合して、n側にはイオン化されたドナー原子が、p側にはイオン化されたアクセプター原子が残ります。これにより、自由電荷キャリアが枯渇した領域、すなわち空乏層または空間電荷領域が形成されます。この領域に固定されたイオン化原子は、n側からp側に向かう強い静電場を形成します。

この内蔵電場は、 光起電力効果半導体のバンドギャップエネルギー([latex]E_g[/latex])よりも大きなエネルギーを持つ光子が吸収されると、価電子帯から伝導帯へ電子が励起され、電子-正孔対が生成されます。この対が空乏層内、または空乏層に拡散できるほど近い場所で生成されると、電界が作用します。電界は電子をn型側へ、正孔をp型側へ掃引します。この電荷の分離により、すぐに再結合が起こらず、p型側に正電荷、n型側に負電荷が蓄積されます。デバイス全体でこの電荷分離が生じると、光電圧が発生し、外部回路に電流を流すことができるため、光エネルギーを電気エネルギーに変換できます。

UNESCO Nomenclature: 2210
物理学

タイプ

物理デバイス

混乱

革命的

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ハインリヒ・ヘルツによる光電効果の発見(1887年)
  • アインシュタインによる光電効果の説明(1905年)
  • 半導体物理学およびドーピング技術の発展
  • 金属と半導体の接点における整流現象の発見(1874年)

アプリケーション

  • 太陽光発電パネル
  • フォトダイオード
  • 発光ダイオード(LED)
  • 半導体トランジスタ

特許:

  • US2402662A

潜在的なイノベーションのアイデア

  • transparent p-n junctions for window-integrated solar cells
  • flexible p-n junctions woven into textiles for ウェアラブル power
  • bio-integrated p-n junctions for powering medical implants
  • p-n junctions optimized for specific narrow-band light sources like lasers
  • acoustic-photovoltaic devices using p-n junctions to convert sound waves into electricity
  • self-healing p-n junctions using polymer-based semiconductors
  • p-n junctions designed for underwater energy harvesting from bioluminescence
  • radiation-hardened p-n junctions for deep space missions using diamond semiconductors
関連キーワード:pn接合、光起電力効果、半導体、空乏層、電子-正孔対、電荷分離、内部電界、太陽電池。

歴史的背景

PN接合型光起電力の原理

1932
1933
1937
1940
1947
1950
1950
1931
1932
1936-01-01
1938
1940
1950
1950
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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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