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光起電力効果とは、半導体材料が光にさらされると電気エネルギーを生成する物理現象である。 [ 1 ]
光起電力効果は光電効果と密接に関連しています。どちらの現象も、光が吸収され、電子またはその他の電荷キャリアがより高いエネルギー状態に励起されます。主な違いは、光電効果という用語は通常、電子が材料から放出される場合（通常は真空中）に使用され、光起電力効果という用語は、励起された電荷キャリアがまだ材料内に保持されている場合に使用されることです。どちらの場合も、電荷の分離によって電位（または電圧）が生成され、光は励起のための電位障壁を克服するのに十分なエネルギーを持っていなければなりません。物理的な違いの本質は通常、光電放出は弾道伝導によって電荷を分離し、光起電力放出は拡散によって電荷を分離するという点にありますが、一部の「ホットキャリア」光起電力デバイスの概念では、この区別が曖昧になっています。
1839年にエドモン・ベクレルが行った光起電力効果の最初の実証では、電気化学セルが使用されました。彼は『科学アカデミー紀要』の中で、その発見を「酸性、中性、またはアルカリ性の溶液に浸された2枚の白金または金の板が、不均一な方法で太陽光にさらされると電流が発生する」と説明しました。[ 2 ]
金薄膜で覆われたセレン層からなる最初の太陽電池は、 1884 年にチャールズ・フリッツによって実験されたが、効率は非常に低かった。[ 3 ]しかし、光起電力効果の最も一般的な形態は、主にフォトダイオードなどの固体デバイスを使用する。太陽光または他の十分なエネルギーを持つ光がフォトダイオードに入射すると、価電子帯に存在する電子がエネルギーを吸収し、励起されて伝導帯に飛び移り、自由になる。これらの励起された電子は拡散し、一部は整流接合（通常はダイオードのp-n 接合）に到達し、そこで内部電位（ガルバニ電位）によって n 型半導体材料に加速される。これにより起電力と電流が発生し、光エネルギーの一部が電気エネルギーに変換される。光起電力効果は、2 個の光子が同時に吸収されるプロセスで発生することもあり、これは二光子光起電力効果と呼ばれる。
自由電子の直接的な光起電力励起に加えて、ゼーベック効果によっても電流が発生することがあります。導電性または半導体材料が電磁波の吸収によって加熱されると、半導体材料内の温度勾配が増加したり、材料間で温度差が生じたりします。これらの温度差によって、電子のエネルギー準位が異なる領域で異なる方向にシフトするため、電圧が発生し、それらの領域間に電位差が生じて電流が発生します。光起電力効果とゼーベック効果の相対的な寄与は、構成材料の多くの特性に依存します。
上記の効果はすべて直流電流を生成しますが、交流光起電力効果（AC PV）の最初の実証は、 2017年にジョージア工科大学のHaiyang Zou博士とZhong Lin Wang教授によって行われました。AC PV効果は、材料の接合部または界面に光が周期的に照射されたときに非平衡状態で交流電流（AC）を生成することです。[ 5 ] AC PV効果は、電流がチョッパの周波数に強く依存する容量モデルに基づいています。AC PV効果は、非平衡条件下で接合部/界面に隣接する半導体の準フェルミ準位間の相対的なシフトと再整列の結果であると考えられています。電子は外部回路を往復して、2つの電極間の電位差を平衡させます。材料に初期キャリア濃度がない有機太陽電池には、AC PV効果はありません。
太陽光発電モジュールの性能は、環境条件、特にモジュール面上の全入射放射照度 G に依存します。しかし、p-n 接合の温度 T も、短絡電流 ISC、開放電圧 VOC、最大電力 Pmax といった主要な電気的パラメータに影響を与えます。G と T のさまざまな条件下での PV セルの挙動に関する最初の研究は、数十年前まで遡ります。1-4 一般に、VOC は T と有意な逆相関を示すことが知られていますが、ISC については相関は正ですが、弱いため、この増加は VOC の減少を補償しません。結果として、T が増加すると Pmax が減少します。太陽電池の出力電力と接合部の動作温度との間のこの相関は、半導体材料に依存し、2 これは、PV セル内の固有キャリア、つまり電子と正孔の濃度、寿命、移動度に対する T の影響によるものです。
温度感度は通常、いくつかの温度係数によって表され、それぞれの係数は、それが参照するパラメータの接合部温度に関する微分を表します。これらのパラメータの値は、どのPVモジュールのデータシートにも記載されており、以下のとおりです。
– β VOCのTに対する変動係数、∂VOC/∂Tで与えられる。
– αは、Tに対するISCの変動係数であり、∂ISC/∂Tで与えられる。
– δ PmaxのTに対する変動係数。∂Pmax/∂Tで与えられる。
これらの係数を実験データから推定する手法は文献に見られる。[ 6 ]セルまたはモジュールの温度に対する直列抵抗の変化を分析する研究は少ない。この依存性は、電流-電圧曲線を適切に処理することによって研究される。直列抵抗の温度係数は、単一ダイオードモデルまたは二重ダイオードモデルを使用して推定される。[ 7 ]
ほとんどの太陽光発電用途では、放射源は太陽光であり、デバイスは太陽電池と呼ばれます。半導体p-n（ダイオード）接合太陽電池の場合、材料に光を照射すると、励起された電子と残りの正孔が空乏層の内部電界によって異なる方向に掃引されるため、電流が発生します。[ 8 ]
交流PVは非平衡条件下で動作します。最初の研究はp-Si/TiO 2ナノフィルムに基づいて行われました。ap-n接合に基づく従来のPV効果によって生成されるDC出力とは別に、界面に点滅光を照射すると交流電流も生成されることがわかりました。交流PV効果はオームの法則に従わず、電流はチョッパの周波数に強く依存するが電圧は周波数に依存しない容量モデルに基づいています。高いスイッチング周波数での交流のピーク電流は、DCのピーク電流よりもはるかに高くなる可能性があります。出力の大きさは、材料の光吸収にも関係しています。