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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)

太陽電池のコアはpn接合、つまりp型半導体材料とn型半導体材料の界面です。この接合によって空乏層に内部電界が発生します。十分なエネルギーを持つ光子が半導体に当たると、電子と正孔のペアが生成されます。電界によってこれらの電荷キャリアが分離され、電子はn型半導体側に、正孔はp型半導体側へと移動し、電圧が発生します。

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。

This built-in electric field is crucial for the photovoltaic effect. When a photon with energy greater than the semiconductor’s bandgap energy ([latex]E_g[/latex]) is absorbed, it excites an electron from the valence band to the conduction band, creating an electron-hole pair. If this pair is generated within the depletion region or close enough to diffuse into it, the electric field acts on them. The field sweeps the electron towards the n-side and the hole towards the p-side. This separation of charge prevents immediate recombination and creates an accumulation of positive charge on the p-side and negative charge on the n-side. This charge separation across the device results in a photovoltage, which can drive a current through an external circuit, thus converting light energy into electrical energy.

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

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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

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1936-01-01
1938
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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。)

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