太陽電池は、フランスの物理学者アレクサンドルエドモンドベクレル（1820-1891）によって発見された光起電力効果として知られる現象に依存しています。 これは、光が導電性材料に当たると電子が導電性材料から放出される現象である光電効果に関連しています。 アルバート・アインシュタイン（1879-1955）は、当時新しい量子原理を使用して、その現象を説明したことで、1921年のノーベル物理学賞を受賞しました。 光電効果とは異なり、光起電力効果は、単一の導電性プレートではなく、2つの半導体プレートの境界で発生します。 光が当たっても実際には電子は放出されません。 代わりに、それらは境界に沿って蓄積し、電圧を生成します。 2枚のプレートを導線で接続すると、線に電流が流れます。
アインシュタインの偉大な功績と、彼がノーベル賞を受賞した理由は、アインシュタインから放出された電子のエネルギーが 光電プレートは、波動理論が予測したように、光の強度（振幅）ではなく、周波数に依存していました。これは、 波長。 入射光の波長が短いほど、光の周波数が高くなり、放出された電子が持つエネルギーが多くなります。 同様に、太陽電池は波長に敏感であり、スペクトルの一部の部分で他の部分よりも太陽光によく反応します。 その理由を理解するには、アインシュタインの光電効果の説明を確認することが役立ちます。
電子エネルギーに対する太陽エネルギー波長の影響
アインシュタインの光電効果の説明は、光の量子モデルを確立するのに役立ちました。 光子と呼ばれる各光束は、その振動周波数によって決定される特徴的なエネルギーを持っています。 光子のエネルギー（E）は、プランクの法則によって与えられます。E= hf、ここで、fは周波数、hはプランク定数（6.626×10）です。−34 ジュール秒）。 光子は粒子の性質を持っているという事実にもかかわらず、波の特性も持っており、どの波でも、その周波数はその波長の逆数です（ここではwで表されます）。 光速がcの場合、f = c / wであり、プランクの法則は次のように記述できます。
E = \ frac {hc} {w}
光子が導電性材料に入射すると、個々の原子の電子と衝突します。 光子に十分なエネルギーがある場合、それらは最外殻の電子をノックアウトします。 これらの電子は、材料内を自由に循環します。 入射光子のエネルギーによっては、それらが材料から完全に放出される場合があります。
プランクの法則によれば、入射光子のエネルギーはそれらの波長に反比例します。 短波長放射はスペクトルの紫色の端を占め、紫外線放射とガンマ線を含みます。 一方、長波長放射は赤い端を占め、赤外線放射、マイクロ波、電波が含まれます。
太陽光には放射の全スペクトルが含まれていますが、十分に短い波長の光だけが光電効果または光起電力効果を生み出します。 これは、太陽スペクトルの一部が発電に役立つことを意味します。 光がどれほど明るいか暗いかは関係ありません。 少なくとも、太陽電池の波長が必要です。 高エネルギーの紫外線は雲に浸透する可能性があります。つまり、太陽電池は曇りの日に機能するはずです。
仕事関数とバンドギャップ
光子は、電子を軌道からノックして自由に移動できるように電子を励起するための最小エネルギー値を持っている必要があります。 導電性材料では、この最小エネルギーは仕事関数と呼ばれ、導電性材料ごとに異なります。 光子との衝突によって放出される電子の運動エネルギーは、光子のエネルギーから仕事関数を引いたものに等しくなります。
太陽電池では、2つの異なる半導体材料が融合して、物理学者がPN接合と呼ぶものを作成します。 実際には、シリコンなどの単一の材料を使用し、それをさまざまな化学物質でドープしてこの接合部を作成するのが一般的です。 たとえば、シリコンにアンチモンをドープするとN型半導体が作成され、ホウ素をドープするとP型半導体が作成されます。 軌道からノックアウトされた電子は、PN接合の近くに集まり、その両端の電圧を上昇させます。 電子を軌道から伝導帯にノックアウトするためのしきい値エネルギーは、バンドギャップとして知られています。 仕事関数に似ています。
最小波長と最大波長
太陽電池のPN接合の両端に電圧が発生する場合。 入射放射線はバンドギャップエネルギーを超えている必要があります。 これは材料によって異なります。 太陽電池に最もよく使われる材料であるシリコンは1.11電子ボルトです。 1電子ボルト= 1.6×10-19 ジュールなので、バンドギャップエネルギーは1.78×10です。-19 ジュール。 Plankの方程式を並べ替えて波長を解くと、このエネルギーに対応する光の波長がわかります。
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ text {nanometers} = 1.11 \ times 10 ^ {-6} \ text {meters}
可視光の波長は400〜700 nmであるため、シリコン太陽電池の帯域幅の波長は非常に近い赤外線範囲にあります。 マイクロ波や電波など、より長い波長の放射線は、太陽電池から電気を生成するためのエネルギーを欠いています。
1.11 eVを超えるエネルギーを持つ光子は、シリコン原子から電子を取り除き、伝導帯に送ることができます。 ただし、実際には、非常に短い波長の光子（約3 eVを超えるエネルギー）は、電子を伝導帯の外に送り出し、仕事をすることができなくなります。 ソーラーパネルの光電効果から有用な仕事を得るための波長の上限しきい値は 太陽電池の構造、その構造と回路に使用される材料について 特性。
太陽エネルギーの波長とセル効率
要するに、PVセルは、波長がセルに使用される材料のバンドギャップを超えている限り、スペクトル全体からの光に敏感ですが、極端に短い波長の光は無駄になります。 これは、太陽電池の効率に影響を与える要因の1つです。 もう一つは、半導体材料の厚さです。 光子が材料内を長い距離を移動する必要がある場合、他の粒子との衝突によってエネルギーが失われ、電子を取り除くのに十分なエネルギーがない可能性があります。
効率に影響を与える3番目の要因は、太陽電池の反射率です。 入射光の特定の部分は、電子に遭遇することなくセルの表面で跳ね返ります。 反射率による損失を減らし、効率を上げるために、太陽電池メーカーは通常、セルを無反射の光吸収材料でコーティングします。 これが、太陽電池が通常黒い理由です。