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Chap 10（太陽電池）
§１０太陽電池 １０．１Ｄ－ｎ接合 例えばシリコン材料中のシリコン原子のいくつかを燐原子で置き換えると、 燐原子の原子価電子は５個でシリコンより１個多いため、４個は周りのシリコ ン原子との主として共有結合に使われ、燐原子は電子１個を保有するドナーと なる（ｎ型半導体)。 一方、シリコン原子のいくつかをホウ素原子で置き換えると、ホウ素原子の 原子価電子は３個であるから、シリコン原子と共有結合するためには電子が， 個たりず、ホウ素原子は正に帯電したアクセプターになる（ｐ型半導体)。 室温では、これらの半導体において、ドナーの多くはドナー陽イオンとなり 伝導帯に自由電子を励起させている。アクセプターの多くは価電子帯（充満帯） から電子を引き受けアクセプター陰イオンとなり、荷電子帯に正孔を励起させ ている。 これらを接合させる。 一般に、層のフェルミ準位はＰ層のそれより高いから、ｎ層からｐ層への電 子の移動が起こり、フェルミ準位が等しくなるまで続く。 ここで移動する電子は、層伝導帯の自由電子で、元は、層のドナー準位にあ ったものであるから、移動した電子の数分だけ、層内にドナー陽イオンを分布 させる。ドナーやアクセプターの数密度は比較的小さいので、接合面から、ミ クロ次元でみて非常に厚い範囲にわたって正に帯電した「空間電荷層」が形成 される。 さらにｐ層においては、移動してきた電子は価電子帯中の自由正孔と結合し て消滅し負に帯電したアクセプターが残る。ｐ層内にできたアクセプター員イ オンの分布も非常に厚い範囲にわたっている。 ‐ ･江 輌電殉骨 結局、接合面を境に、一定の厚い深さにわたって、ｎ層側には正に帯電した ドナーによる空間電荷層、ｐ層側には負に帯電したアクセプターによる空間電 荷層ができる。この状態はいわゆる「電気二重層」であり、その中で電位は大 きく変化する。 半導体「表面」は、その末端構造のためさまざまなドナーやアクセプター準 位を形成し、「バルク」とは異なる'性質を持つ。仮に表面状態のフェルミ準位が バルクのそれと異なれば電子は両者を一致させるよう移動するから、平衡状態 で両フェルミ準位は一致し、これに伴い、表面とバルク間に伝導帯や価電子帯 で代表されるバンドが曲げられる。表面付近ではフェルミ準位以上のエネルギ ー準位で電子の存在確率が小さくなることを意味している。 ｎ型半導体を金属と接合させたときの半導体の接合面の特殊性もこれに類似 している。接合前後で表面構造が変わらないとするならば、電子移動の結果、 半導体バルク、その表面とともに金属すべてのフェルミ準位が一致する。金属 側に移動してきた電子は表面に集中し、形成された表面電荷による電場は半導 体表面付近の正電荷でほとんど遮蔽されるから、半導体バルク深くの電場には 影響を及ぼさない。 一方金属側では、エネルギーレベルが無数あるから、深さ方向のエネルギー バンドの歪みはなくただ表面に負電荷の電子が集中することになる。 結局、ｎ型半導体表面のバンドが上にせり上がったバンド形状になり、あた かも に対するエネルギー「障壁」のように なる。ｎ型半導体中の電子が金属側へ流入するためにはこの障壁に相当するエ ネルギーが与えられなければならない。この障壁の高さは主としてフェルミ準 位の差であるが、半導体表面準位の構造やその量によっても左右される。障壁 高さがフェルミ準位の差になる場合この障壁は｢Schottky障壁｣と呼ばれている。 従ってSchottky障壁高さは金属と半導体のフェルミエネルギーの差となり、 それはそれぞれの仕事関数（フェルミエネルギーから真空電位までのエネルギ ー）○Ｍ、｡ｓの差と等しい。 （１）ｑＶＤ＝ＥＦ葛一［ＦＭ＝のＭ－のｓ ＶＤ：拡散電界、ｑ（＞Ｏ光電子の電荷（＜０）の絶対値 凸の 一方 はめＭ－えｓであり、これ はうエルミ準位と半導体の伝導帯エネルギー準位の差に等しい。 ｘｓ：電子親和力（伝導帯の底から真空電位までのエネルギー)。 さらに、金属と、型半導体とを接合させたこの系において、金属側を正、ｎ 型半導体側を負として「順方向」に外部電圧ｖをかけるものとする。半導体側 に電子が供給されるため、半導体側のフェルミ準位が押し上げられる。従って、 （半導体側からみた）Schottky障壁の高さはｑＷＤ－Ｖ）と低くなり、半導体側 から金属側へ流れる電子流（従って電圧をかけた方向への電流）が増す。しか し、ｎ型半導体側を正、金属側を負として外部電圧Ｖをかけても（半導体から みた）障壁の高さはｑ（ＶＤ＋Ｖ）となる一方、金属側からの障壁は変わらない から（電圧をかけた方向への）電流は大きくはならない。このようにして 「Schottkyダイオード」は整流作用を発現する。 ｅ￣ ル ↓ ソ /鋪， 、一 半芽庫 齢痔幽 ソ 2Ｆ ，螺１Yh-樗年 全爆ｌｈ－樗埣 世バィアヱ己か７Ｚと ’1国バイアスてかゲヨと. ､‐糟嘩から子｢て藍ラフ 右か;'r辰溥堪虞二一 電ﾗﾂﾞﾊ/刀-t雷う 牙に浮鯵←駒装う旬 Ｖだ'ﾂ上が２か頁．皆ﾆﾑｰｸ 岸壁急－．Ｖ宿ｹｰｿ １０．３太陽電池 ● のて､＞彰約Ｏ責プヒ!＞'《トミ､． p型半導体と、型半導体とを接合し接合面付近に太陽光を照射すると、熱電 発電の場合と同様に、ｎ型半導体側の接合面付近は電子が、Ｐ型半導体側では 正孔が過剰になる。これらは拡散によってそれぞれの端に移動するから、両端 に電位差が形成され、外部負荷をつなぐとＰ側端子を陽極、ｎ側端子を陰極と する「太陽電池」が構成される。 以上は単純な描像である。つぎのように考えても良い。 ｎ層側接合面付近にドナー陽イオンが、Ｐ層側接合面付近にはアクセプター 陰イオンが分布する「電気二重層」が形成されその間に、側からＰ側に向かう 「内部電界」が生じる。「光励起」によって生成された電子・正孔対は「内部電 界（拡散電界)」によって分離され、電子は半導体内をＰ層側から、層側に、正 孔は、層側からｐ層側に流れる。光を照射し続けた状態で外部負荷を繋げば、 層側端子を陰極、ｐ層側端子を陽極として仕事を取り出すことができる。 作)＞２９－ ﾚｸﾉ 山 二 鱒へ枢↓ Ｐ ､1,ｌｐｊ wF〒j’ エ十－ Ｐ－ｎ才導を。拷令許‘゛麦与と豈乙ａと 実宅三匙'研Ｐ１ぞ雄少う、吃杜/、丸象3． 睦継ｚ１詞汰９３とえ,レミ卒『でて芝ガマ現妃 了の夏バネ“マョ'詞枚挙彰匡か-現指３゜ さらにエネルギーバンドを用いて以下のようにも説明される。 ｎ型シリコンの方がｐ型のそれよりもフェルミ準位が高いから、両フェルミ 準位が一致するまで電子が、層からｐ層に供給される結果、ｐ層側から、層側 に滑り落ちるような形で、両者の伝導帯と価電子帯が接続する。接続条件は以 下のようである。 １）各半導体バルク、各接合面付近を通じフェルミ準位が一致する ２）遠方で伝導帯、フェルミ準位、価電子帯の相対関係は接合前と同じ 接合によって形成されるエネルギーバンドの形状は、電子にとって、ｎ層側 の方がエネルギーレベルは低く安定である。エネルギー準位はあくまで電子に 対し描かれているので、正孔にとってはｐ層側に存在する方が安定である。 従って、接合面付近で光励起によって電子・正孔対が形成されると、ｐ層側 伝導帯にできた電子は、伝導帯の傾斜にそっ‐ 伝導帯にできた電子は、伝導帯の傾斜にそって滑り落ちるよＺに、層側に移動 するであろう。一方、ｎ層側にできた正孔は、 するであろう。一方、ｎ層側にできた正孔は、価電子帯の傾斜にそって気泡が 浮き上がるようにｐ層側に移動するであろう。 ｢週、堅 ｢－１ 『屯 ?.〃..』, ±ﾌﾟﾆｺﾞ.と ５FＰ ￣￣￣￣--￣ ① ●●●●■ L稗苧 ＰＣ①｡● 源 ,－２ －－ EＦｎ FＰ 俺電子芋 ●ＰＯＰ =屋R-2坪驍繩② ＥＦ 曰⑥ F星雲電離域 :：鯰 二 >〆 歳屯 ドナー噸、イオン ・ＤＯ０Ｂ０● ‐７ヅセデター臆イーォ こﾖレ ●