太陽は電気を生み出すことができますか？太陽は電気を「生み出す」ことができます！

社会の進歩と発展は、「エネルギー」の促進と支援から切り離すことはできません。特に二度の産業革命以降、人々はエネルギー開発の重要性をますます認識するようになりました。

想像してみてください。もしエネルギーがなかったら、私たちの生活はこんなにも色鮮やかになるでしょうか？

しかし、社会の急速な変化に伴い、化石エネルギー（石炭、石油など）に代表される伝統的なエネルギーは、再生サイクルの長さ、埋蔵量や品質の年々低下などの問題により、増大するエネルギー需要を満たすことがますます困難になってきています。

そのため、科学者たちは再生可能かつ持続可能な新しいエネルギー源の開発に注目するようになり、太陽という「エネルギーの宝」が彼らの視野に入ってきました。

植物の光合成からヒントを得た太陽エネルギーを利用した発電

地球上のすべての生物が利用できるエネルギーのほぼすべてが植物の光合成から得られることは誰もが知っています。

光合成の模式図（出典：http://www.1010jiajiao.com/czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a）

植物の光合成とは、光条件下で植物の葉緑体において二酸化炭素と水を原料として糖を合成する生物学的プロセスを指します。糖は代謝中にエネルギーを生成することができるため、太陽エネルギーはこのようにして蓄えられます。

しかし、このエネルギーは、私たちが日常的に使用する電気エネルギーになる前に変換する必要があるため、直接使用することは困難です。さらに、物理学の原理によれば、エネルギー変換プロセスでは必然的にエネルギー損失が発生します。そのため、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換するという問題が議題に上がっています。

では、太陽エネルギーは直接電気に変換できるのでしょうか?この変革プロセスに関連する要因は何ですか?これは 19 世紀初頭の科学者にとって注目すべき提案でした。幸いなことに、19 世紀末にこの問題に大きな進歩がありました。

彼は「最強の頭脳」を持ち、光と電気の秘密を発見した。

1887 年、有名な物理学者ヘルツ (現在の周波数の単位は彼にちなんで名付けられました) は、研究中に、光が特定の物質の表面に当たると、その物質の電気的特性が変化することを偶然発見しました。その後の研究で、これは電子の流れの発生によるものであることがわかり、この現象は「光電効果」と呼ばれています。

光電効果の模式図（画像出典：http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg）

ご存知のとおり、世界の仕組みは物理法則に従う必要があります。当時、ニュートンによって確立された古典物理学の原理が人々の心を支配していました。この原理は、光はエーテル（古代ギリシャの哲学者アリストテレスが考案し、19世紀の物理学者が光の伝播媒体を指すために借用した物質）という媒体中を伝わる波であり（湖に石を投げ込むと、湖の表面に波紋ができ、それが水を媒体として外側に伝わることを想像してください）、波のエネルギーは振幅（振動振幅）に関係している（光波の振幅は光の強度です）というものです。

これは非常に常識的なことのようです。ご想像のとおり、冬は日差しが強くなく、体に当たると暖かく感じます。しかし、夏は太陽の光が眩しいので、肌の保護に注意しないと日焼けしてしまう可能性があります。したがって、古典物理学では、光電効果が発生するかどうかは光の強度に依存します。しかし、この理論は当時の一連の実験結果に反するものでした。

研究によると、同じ物質であっても、ある色の光は光の強さに関係なく光電効果を生じないのに対し、ある色の光は非常に弱い強度でも電流を生成できることがわかっています。古典物理学は危機に陥り、科学界全体を巻き込む嵐が吹き荒れようとしていた。

嵐は破壊をもたらしますが、新たな生命ももたらします。偉大な科学者たちが次々と嵐の中心の波に立ち向かい、相対論的物理学と量子物理学の二重の修正の下で古典物理学は再び航海を始めた。

光電効果の問題を解決した巨匠は、私たち全員がよく知っているアルバート・アインシュタインです。

アインシュタインは相対性理論を確立したことで広く知られていますが、このような偉大な科学者が科学界最高の栄誉とされるノーベル賞を受賞するところだったことはあまり知られていません（ノーベル賞は物議を醸す発見に授与されることはなく、相対性理論に関する議論や論争は今日まで続いています）。

アインシュタインは光電効果の独創的な説明により、1921年にノーベル物理学賞を受賞した。彼は、光は光子で構成されており、光子の本質はエネルギーパケットであると提唱しました。各エネルギー パケットに含まれるエネルギーは、その周波数(単位時間 (1 秒) 内の変化の回数) に関連しています。したがって、光が物体に当たったときに電子が生成されるかどうかは、エネルギーパケット（光子）のエネルギー（周波数）に完全に依存し、エネルギーパケットの数（光の強度）とはまったく関係がありません。

「サンドイッチ」太陽電池はどのように機能するのでしょうか?

上記では光電効果の発見プロセスを紹介し、光電効果を生み出す方法もわかりました。では、生成された電子をどのように利用すればよいのでしょうか?

これには、エネルギーレベルの遷移という別の概念が関係します。

エネルギーレベル遷移の模式図（画像提供：青島バイオエネルギー・プロセス技術研究所、炭素系エネルギー変換材料研究グループ）

原子は原子核と原子核の外側の電子で構成されています。原子核の外側の電子はランダムに配置されているわけではなく、物理学の原理に従って層状に配置されています。原子核に近い電子はエネルギーが低く、原子核から遠いほどエネルギーが高くなります。異なる層の電子は異なるエネルギーを持ち、これらのエネルギー値は「エネルギーレベル」とも呼ばれます。

通常の状態では、原子核の外側の電子は常に総エネルギーが最も低い形で配置される傾向があります。このような電子を「基底状態」と呼びます。基底状態の原子が何らかの形のエネルギー（光子など）を受け取ると、より高いエネルギーレベルのエネルギーレベルに自発的に移動します。これはエネルギーレベルの遷移であり、遷移後の電子は「励起状態」にあると言われます。

残念ながら、励起された電子は安定しておらず、より低いエネルギーレベルにジャンプする傾向があります。電子の余分なエネルギーは光エネルギーまたは熱エネルギーの形で消散します。

いいえ、エネルギーはこのように消散しますが、それでも電気は得られないのですか?

心配しないで。光電効果によって発生した電流を伝導するためには、適切なデバイス構造を構築する必要があります。これは、よく太陽電池と呼ばれます (図 2 を参照)。

デバイス構造はサンドイッチ型になっており、光電効果を持つ活性層を電子輸送層と正孔輸送層（電子遷移後に形成される局所的な電子不足部分を正孔と呼ぶ）で挟み、両端は電極材料（一般的には金属とインジウムスズ酸化物（ITO））となっている。

基底状態の原子が何らかの形のエネルギー（光子など）を受け取ると、より高いエネルギーレベルのエネルギーレベルに自発的に移動します。これはエネルギーレベルの遷移であり、遷移後の電子は「励起状態」にあると言われます。電子輸送層の励起状態エネルギーレベルは活性層のそれよりもわずかに低いため、活性層内の励起電子は活性層の基底状態に戻るのではなく、電子輸送層に容易に転送されます。一方、正孔輸送層の基底状態は活性層の基底状態電子よりもわずかに高いエネルギーを持ち、電子は活性層の基底状態に移動する傾向があります。

これは、電子に小さなステップを設定するようなもので、難しいジャンプ（遷移）を行う代わりに、単に「足を上げる」だけでそのステップを越えることができるため、プロセス全体が簡単に達成できます。

電子輸送層と正孔輸送層の効果的な連携により、デバイス全体が完全な回路を形成し、活性層によって生成された電子を外部に持ち出して利用できるようになります。

一般的な太陽電池デバイス構造の概略図（画像提供：青島バイオエネルギー・プロセス技術研究所、炭素系エネルギー変換材料研究グループ）

変換プロセスを経て、最終的に太陽エネルギーから直接電気エネルギーが得られます。これが太陽電池の原理です。科学的探究のペースは決して止まりません。エネルギー不足の問題が効果的に緩和され、人類が持続可能な発展の未来に向かって進むことができたのは、まさにこれらの偉大な科学者たちの素晴らしい研究と発見のおかげです。