光起電効果とは何か

特定の半導体材料において光エネルギーが電気エネルギーに変換される効果は、光起電力効果と呼ばれます。これは中間過程を経ずに直接光エネルギーを電気に変換します。光起電力効果を示すために、シリコン結晶のブロックを想定しましょう。このブロックの上部にはドナー不純物が添加され、下部にはアクセプタ不純物が添加されています。そのため、n型領域における自由電子の濃度はp型領域よりも高く、p型領域における穴の濃度はn型領域よりも高くなります。ブロックの接合線を越えて荷電キャリアの濃度勾配が高くなります。n型領域の自由電子はp型領域に拡散しようとし、p型領域の穴はn型領域に拡散しようとします。これは、荷電キャリアが自然に高濃度から低濃度へ拡散する性質によるものです。n型領域からの自由電子が拡散によりp型領域に入ると、n型領域に正のドナーイオンが残されます。

これは、n型領域の各自由電子が1つの中性ドナー原子から提供されているためです。同様に、p型領域からn型領域に穴が拡散すると、p型領域に負のアクセプタイオンが残されます。

これは、p型領域の各穴が1つのアクセプタ原子から提供されているためです。これらのイオン、つまりドナーイオンとアクセプタイオンは結晶構造内で固定されており、移動しません。言うまでもなく、n型領域のp型領域に最も近い自由電子が最初にp型領域に拡散し、結果として接合に隣接するn型領域に正の不動のドナーイオン層を作ります。

同様に、p型領域のn型領域に最も近い自由穴が最初にn型領域に拡散し、結果として接合に隣接するp型領域に負の不動のアクセプタイオン層を作ります。これらの正と負のイオン濃度層は、接合を横切る電場を作り出し、その方向は正から負、つまりn型側からp型側に向かいます。この電場の存在により、結晶内の荷電キャリアはこの電場の方向に漂移する力を受けることになります。正の電荷は常に電場の方向に漂移するため、n型領域にある正に帯電した穴（もしあれば）は接合のp側に漂移します。

一方、p型領域にある負に帯電した電子（もしあれば）は、負の電荷は常に電場の方向とは逆に漂移するため、n領域に漂移します。p-n接合では、荷電キャリアの拡散と漂移が続きます。荷電キャリアの拡散により、接合を横切るポテンシャル障壁が形成され、その厚さが増加します。一方、荷電キャリアの漂移により、障壁の厚さが減少します。通常の熱平衡状態で外部力がない場合、荷電キャリアの拡散と漂移は等しく反対方向に作用するため、ポテンシャル障壁の厚さは一定に保たれます。

次に、シリコン結晶ブロックのn型表面を太陽光にさらします。一部の光子はシリコンブロックによって吸収されます。吸収された光子の中には、シリコン原子の価電子バンドと伝導バンド間のエネルギーギャップを超えるエネルギーを持つものがあります。そのため、コバレント結合内の一部の価電子が励起され、結合から飛び出して結合に穴を残します。このようにして、入射光により結晶内に電子-穴対が生成されます。n型側で生成されたこれらの光生成電子-穴対の穴は、多数キャリアである電子との再結合の確率が高いです。従って、太陽電池は、光生成電子または穴が多数キャリアとの再結合の機会を得ないように設計されています。

半導体（シリコン）は、セルの露出面に非常に近い位置でp-n接合が形成されるようにドーピングされています。もし電子-穴対が接合の少数キャリア拡散長の範囲内で生成された場合、電子-穴対の電子はn型領域に漂移し、穴は接合の電場の影響によりp領域に引き寄せられます。これにより、平均的には外部回路での電流に貢献します。

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