太陽電池

太陽の光はただ明るい光の筋に見えますが、実は「光子」と呼ばれる無数の小さなエネルギーの粒の行列です。この光の粒がシリコンなどの半導体の層に降り注ぐと、面白いことが起こります。

原子のまわりにおとなしく束縛されていた電子が、飛んできた光の粒を吸収します。止まっていたビリヤードの球が、転がってきた球の力を受けて動き出すのとよく似ています。ただし実際には、光の粒は電子に吸収されて消えてしまいます。光のエネルギーを受け取った電子は、原子の束縛から解き放たれ、物質の外には出ずに物質の中を自由に動き回る自由電子になります。

光を当てたときに電子がエネルギーを得て動く現象を、広く「光電効果」と呼びます。電子が物質の外へ飛び出す場合とは違い、太陽電池のように物質の中で動く電子を使って電圧をつくる現象は、別に「光起電力効果」と呼ばれます。これが、眠っていた電子を目覚めさせる最初の関門です。

光を受けて目覚めた自由電子が、てんでばらばらの方向に散ってしまっては、電気はつくられません。電気は、電子が一定の方向に向かって、列をなして秩序正しく流れるときに生まれるからです。

電子を一方向にだけ流すために、太陽電池は性質の異なる2つの半導体を貼り合わせています。余分な電子をたくさん持つ「N型半導体」と、電子が入れる空席（正孔）を持つ「P型半導体」を接合するのです。2つの半導体が出会うと、その境目に、電子を一方向にだけ押し出す内部電場という、一方通行の滑り台ができあがります。

光を受けて解き放たれた電子は、この滑り台を滑って、N型半導体の側にだけ進みます。この電子たちが外につないだ電線を伝って動くことで、スマートフォンを充電したり、電灯をつけたりする電流になります。

太陽電池は夏の厳しい暑さで電気をつくる、と誤解されることがよくあります。しかし太陽電池は、熱ではなく光の粒のエネルギーを直接吸収して電気に変える装置です。

むしろ真夏にパネルの温度が上がりすぎると、発電効率はがくんと落ちます。温度が上がると、太陽電池がつくり出す電圧が下がるためです。シリコン太陽電池は、一般に25度を超えて1度上がるごとに、出力が元の値の約0.3〜0.5%ずつ減ります。効率が20%なら、1度につき約0.08ポイントほど下がる計算です。そのため、よく晴れて涼しい春や秋のほうが、電気がよくつくられることもあります。

また、すべての太陽光が電気になるわけでもありません。エネルギーが弱すぎる光の粒は電子をはじき出せず、そのまま通り抜けてしまい、エネルギーが強すぎる光は、余った力を熱として無駄にしてしまいます。現在、日常でよく使われているシリコン太陽電池のエネルギー変換効率が20%前後にとどまる最大の理由の一つが、ここにあります。さらに、表面での反射や電気抵抗といった損失も加わります。