「シリコン」を「太陽電池」に変えるにはどんな魔法が使われているのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: 張俊達

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

再生可能エネルギーとは、一定の範囲内で再利用できるエネルギーを指します。つまり、地球と太陽が滅びない限り、風力、地熱、太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーは無尽蔵なのです。太陽エネルギーを例に挙げてみましょう。地球は 173,000 テラワットの太陽エネルギーを吸収しますが、これは地球上で人類が使用する総エネルギーの 10,000 倍に相当します。

人間社会がいつか太陽エネルギーだけで動くようになることは可能だろうかと、思わず考えてしまいます。

実際、人々は長い間太陽エネルギーに注目し、それを直接使用できる電気に変換しようとしてきました。最も愚かな方法は、太陽光を利用して熱を与えて水を沸騰させ、その沸騰した水から出る蒸気を使って電気を生成することです。しかし、エネルギー変換には必ず消費が伴い、水を沸騰させる方法はそれほど効率的ではありません。そこで人々は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換するにはどうしたらよいか、深く考えるようになりました。

このアイデアを最初に実現したのはエドモン・ベクレルでした。

エドモン・ベクレル（画像出典：Wikipedia）

1839 年のある日、燐光を研究していたエドマンドは信じられないものを発見しました。彼は塩化銀を酸性溶液に入れ、2つの白金電極を接続し、それを太陽の下に持ち出しました。その結果、2つの電極間に電圧があることを発見しました。

当時、人々はこの現象の原理を知りませんでした。彼らは光が電位を生成できることだけを知っていたので、この現象を光起電力効果、または略して光起電力効果と呼びました。今日の太陽電池は基本的に光起電力効果を利用しているため、太陽電池は太陽光発電セルとも呼ばれています。

現在、最も広く使用されている太陽電池は、主にシリコンなどの半導体材料で作られています。では、半導体と光起電力効果をどのように利用して太陽電池を製造するのでしょうか?

すべての基礎：原子バンド構造

簡単に言えば、エネルギーバンドとは、電子をそのエネルギーに応じて分割したさまざまな領域を指します。原子核は正に帯電しており、負に帯電した電子を引き寄せ、電子が原子核に近づくほど結合が強くなることは誰もが知っています。さて、原子を分割すると、原子核は下に沈み、電子が上に配置されます。

この場合、電子を 2 つの活性領域に分けることができます。1 つは原子核に近い領域で、電子が強く引き付けられており、これを価電子帯と呼びます。 2つ目は、核から遠く離れた領域です。ここでは電子は規制されておらず、比較的自由です。これらの電子を走らせる外部電界があれば、その物質は電気を伝導します。この領域を伝導帯と呼びます。

これら 2 つの領域に加えて、価電子帯の上と伝導帯の下に、電子が存在できない別の領域があります。私たちはそれを禁断の帯と呼んでいます。

原子のエネルギーバンド構造（画像出典：著者自作）

これは基本的な原子エネルギーバンド構造ですが、注意すべき詳細がいくつかあります。まず、エネルギーバンドはさらに異なるエネルギーレベルに分割でき、パウリの排他原理により、各エネルギーレベルには 2 つの電子しか収容できません。第二に、ほとんどの原子はそれほど多くの電子を持っておらず、価電子帯さえも満たされておらず、伝導帯には電子が存在しません。さらに、価電子帯の電子は正直ではありません。これらは「軌道から外れる」、つまり禁制帯を越えて伝導帯に突入する可能性があります。もちろん、このプロセスを遷移と呼び、遷移はエネルギーを吸収します。

これら 3 つの詳細を考慮すると、自己発熱の世界には 2 つのまったく異なる材料があると推測した読者もいるかもしれません。1 つはバンドギャップが非常に狭いか、またはバンドギャップがまったくなく、室温では価電子帯の外側の電子が伝導帯に簡単にジャンプできるため、導体になります。逆に、物質のバンドギャップが非常に広く、一般的に 3 電子ボルト (3eV) を超え、電子が室温で価電子帯に留まる場合、その物質は電気を伝導できず、絶縁体になります。

さまざまな固体のバンド構造（画像出典：Wikipedia）

「気まぐれな」半導体

価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップが 3eV 未満の物質はありますか?はい、それは半導体です。半導体は通常、導体と絶縁体の間の電気伝導性を持つ材料です。

しかし、半導体の価値は電気を伝導する能力ではなく、「左右にジャンプする」能力に反映されます。半導体の導電特性は外部要因によって容易に変化する可能性があります。後ほど、光起電力効果が半導体の導電性をどのように変化させるかを見ていきます。次に、シリコン原子を例に、半導体内部の謎を探ります。

1. 真性半導体の構造

純粋なシリコンや純粋なゲルマニウムなど、不純物を含まない半導体は真性半導体と呼ばれます。シリコン原子を見てみましょう。電子は 14 個あり、電子配置は 2-8-4 で、最外層に 4 つの電子があります。元素の特性は主にその最外殻電子によって決まります。シリコンの最外殻電子には、さらに 4 つの電子を見つけて 4 組の電子を形成するか、4 つの電子すべてを捨てるかのどちらかの傾向があります。

シリコン原子（画像出典：著者作成）

シリコン結晶では、各シリコン原子の上に、下、左、右に隣接するシリコン原子があります。シリコンは最外層に 4 つの電子を持っているため、隣接するシリコン原子とこれらの電子を共有し、各シリコン原子の最外層には合計 8 つの電子が存在します。完璧！

シリコン結晶の共有結合（画像出典：著者作成）

2. 不純物半導体の構造

真性半導体に不純物をドープすると何が変わるでしょうか?たとえば、シリコン原子の 1 つがリン原子に置き換えられると、リン原子は 15 個の電子を持ち、配置は 2-8-5 になります。最外層には5個の電子があります。隣接するシリコン原子と合わせて 8 個の電子を持つと、さらに 1 個の余分な電子が残ります。このように、リン原子が追加されるたびに、行き場のない電子が 1 つ存在することになり、追加されるリン原子が多すぎると、「単一電子の軍隊」が形成されます。このような半導体を N 型半導体と呼びます。N (負) は電子が負に帯電していることを意味します。

N型半導体（画像出典：筆者作成）

逆に、ホウ素原子を追加すると、電子は 5 個になり、最外層に 3 個あります。ホウ素原子と周囲のシリコン原子は、7 個の電子しか結合できません。これら 7 つの電子では、安定した構造を形成するにはまだ 1 つの電子が足りないため、ここに「ホール」が生成されます。これを P 型半導体と呼びます。P (正) は、正孔が正に帯電した粒子と同等であることを意味します。

P型半導体（画像出典：筆者作成）

3. 半導体はなぜ電気を伝導するのでしょうか?

前述のように、不純物半導体は自由に移動する電荷を持ち、自然に電気を伝導することができます。では、半導体の導電性を高める自由電荷はどこから来るのでしょうか?

実際、理想的な条件（つまり絶対零度）では、本質的な半導体は電気を伝導できず、すべての価電子は共有結合に結びついています。しかし、半導体の一般的な応用は室温で行われます。このとき、熱運動により、半導体は本質的に一対の正孔電子を励起します。

内発的興奮（画像出典：著者自作）

どちらの不純物半導体にも、もちろん固有の励起が存在します。つまり、N 型半導体にも正孔は存在しますが、その数は自由電子の数よりも少なくなります。これら 2 種類のキャリアのうち、数が多いキャリアは多数キャリアと呼ばれ、数が少ないキャリアは少数キャリアと呼ばれます。 P 型半導体ではその逆が当てはまります。

N型半導体とP型半導体の組み合わせ：「自己完結型電界」を持つPN接合

2つの不純物半導体を接続すると何が起こるでしょうか?

N 型半導体には電子が多く正孔が少なく、P 型半導体には正孔が多く電子が少なくなります。これは、2 つの異なるソリューションを混合するようなものです。こちら側の電子の大部分は反対側へ移動しようとし、反対側の正孔の大部分はこちら側へ移動しようとします。この動作は多数キャリア拡散と呼ばれますが、この拡散の最初から問題が発生します。 「Stick Bark」というゲームを遊んだことがあるかどうかはわかりません。 2 人は指定された時間内に一緒に「固執」する必要があります。時間切れになると、一緒にいなかった人が脱落します。

電子と正孔についても同様です。多数キャリアは近くではなく遠くへ移動することができないため、2 つの不純物半導体の接合部にある多数キャリアは、直接「くっついて」いることがよくあります。どちらの半導体も原子がドープされており、全体としては電気的に中性であることを覚えておいてください。ここでは伝導帯の自由電子と正孔のみを描いていますが、その下には原子核と内殻電子も描かれています。電子が逃げたり、ホールが埋められたりしたので、これら 2 つの領域は電気特性を示します。電子を失ったN型半導体は正に帯電し、正孔を失ったP型半導体は負に帯電します。この構造はPN接合と呼ばれます。

ちょっと目が回るような感じがしますか？次の模式図は、PN 接合の形成プロセスを直感的に理解するのに役立ちます。

PN接合（画像出典：Wikipedia）

PN 接合が形成されると、その両端は異なる電気特性を示し、N から P に向かう電界が形成されます。この電界は自発的に形成されるため、自己構築電界と呼ぶことができます。それでは、少数航空会社の状況を見てみましょう。少数キャリアと多数キャリアの電気的特性は逆です。自己構築された電界は多数キャリアの拡散を妨げるため、実際には少数キャリアの反対側への移動を促進します。このプロセスは少数キャリアドリフトと呼ばれます。多数キャリアの拡散と少数キャリアのドリフトが動的平衡に達すると、PN 接合が安定して形成されます。

層ごとに準備を重ねていくと、シリコンが半導体と呼ばれる理由と、2 つの半導体を接合すると独自の電界を持つ構造 (PN 接合) を生成できる理由がわかります。準備は終わりました。光起電力効果が発揮される時です!

最後の重要なステップ：PN接合に光を当てる

PN接合に太陽光が当たると何が起こるでしょうか?そうです、光起電力効果です。光起電力効果の役割は、すでにペアを形成している価電子帯の電子を再び「誘惑」し、再び電子正孔ペアを形成することです。本質は、先ほど述べた価電子帯の電子が光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーが高くなり、伝導帯にジャンプすることです。

光起電力効果（画像出典：著者自作）

これらの電子ホールは自己構築電場の影響を受けて両側に投げ出され、P から N に向かう電場を形成します。これが光生成電場であり、その方向は自己構築電場と反対です。この時、外部回路が接続され、電位差が存在することにより、回路内に電流が発生します！この時点で、光起電力効果と半導体を通じて光エネルギーを電気エネルギーに変換するという課題は完了しました。

太陽電池の内部（画像出典：著者自作）

太陽電池は 100 年近くの開発を経てきましたが、この記事で紹介する無機半導体太陽電池は最も成熟したタイプです。さらに、色素増感太陽電池や一部のペロブスカイト太陽電池など、有機半導体材料をベースにした太陽電池もいくつかあります。有機であろうと無機であろうと、これらの太陽電池の基本原理は、私たちが紹介したさまざまな半導体関連の理論と切り離せないものです。

これらの理論と材料に基づく太陽電池はまだ限界に達していないものの、全体的な理論上の変換効率はわずか 30% であり、実際の変換効率が理論値に到達することは困難です。一部の研究者は、キャリア太陽電池、不純物太陽電池などの新しい動作原理に基づく太陽電池の研究を始めており、光電変換効率を60％以上に高めることを望んでいます。私たちは、まだ初期段階にある太陽光発電産業に常に大きな自信を持っています。それは人類にとって将来エネルギー問題を解決するための重要な選択肢となるかもしれません。

参考文献:

[1] 黄海斌ら光起電力物理学と太陽電池技術[M]。北京：サイエンスプレス、2019年