【マンガでわかる】太陽光発電の仕組みとは？

しょうがないな〜(嬉)。

せやったら今日は太陽光発電の仕組みについて簡単にわかりやすく解説するで〜。

そもそも電気って電子が移動することで生まれるねん。

電子っちゅうのは負の電荷を持った素粒子のことで…

せやから、いかに電子を移動させるかが電気を生み出すキーポイントなんや。

せや。

で、その時に必要になってくんのが半導体や。

半導体とは、導体と絶縁体の中間の性質を持ち、条件によって電気を通したり通さんかったりする物質なんやでー。

まあただ半導体ってそのままやと基本的に絶縁体寄りでほとんど電気を通さへんねん…。

まあ聞けや。

そこであえて不純物を入れて電気を通りやすくすんねん。

それをドーピングちゅうねん。

まあせやな。

ドープ(dope)由来でdopingで同じ綴りやな。

不純物(薬物)を入れるちゅうことやな。

ま、それはさておき、このドーピングを半導体にすることによって、n型半導体、p型半導体ができるんや。

ソーラーパネルの原材料としては主にシリコン(ケイ素 Si)が使われており、そのシリコンにn型半導体にはリン、p型半導体にはホウ素が主にドーピングされる。

nはnegative、負。

pはpositive、正から来とんやけど、それぞれの構造について簡単に説明するでー。

まずシリコンは原子番号が14で価電子(一番外側の電子)を4つ持っとる原子や。

で、シリコン原子同士で4つの価電子は共有結合して安定した結晶構造を作る。

こうなるとシリコン原子の(見かけ上)価電子数は8となり安定するんや。

「なんでそれで安定すんねん」って話はもっとムズくなるから今はやめとくでー。

で、安定するっちゅうのはどういう意味かというと電子が動かへんねん。

電子が動かないっちゅうのはつまり……

せや。

つまり絶縁体の状態やな。

それを導体の状態にするのがドーピングなんや。

おお！？

ええとこに気づいたな。

その点に関しては、追々説明するわ。

シリコンにリン(P)をドーピングしたのがn型半導体や。

リンは価電子数が5個でシリコンより一個多い。

シリコンにリンをドーピングすると電子が一個余るんや。

つまりその一個は自由に動ける電子となる。

それを自由電子という。

せや。

つまり、n型半導体は電子を増やすことによって電気を流しやすくしとる。

電子はマイナス、負の性質やから英語のnegativeのnをとってn型半導体や。

じゃあ次はp型半導体の説明や。

端的にいうとp型半導体はn型半導体の逆で電子を一個減らして電気を流れやすくしとる。

p型半導体にドーピングされる代表的な物質はホウ素(B)や。

ホウ素は価電子が3個でシリコンの4個より一個少ない。

シリコンにホウ素をドーピングすると電子が一個足らんくなる。

その部分を正孔せいこう(ホール)っちゅう。

電子はこのホールを埋めようとする(＋極に引き寄せられ)。

すると移動した電子のところが今度はホールとなり、それを繰り返すと＋極に電子が移動し、−極にホールが動いとるように見える。

このことからホールを＋の粒子と擬似的にみなすんや。

p型半導体は電子を足らなくすることによって電気を流しやすくしとる。

ホールが正の性質を持つから英語のpositiveのpをとってp型半導体っちゅうわけや。

さっきマン太「電気を流しやすくするなら半導体じゃなくて導体を使えばええやん」的なこと言っとたけど……

太陽光パネルにp/n型半導体を使う最大の理由は「光起電力効果」にある。

せや。

文字通り光で電気を起こすことや。

で、この効果を発揮するために、p型半導体とn型半導体を結合させるんや。

それをpn接合という。

pn接合すると接合面(界面)でそれぞれ、ホールと電子が引き寄せられる。

イメージとしては電子は「ホールに埋まりたーい」って気持ちがあるからホールもそれに引き寄せられるって感じやな。

接合面付近の電子とホールが出会うHAPPY領域を空乏層というんや。

このHAPPY領域は接合面付近だけやし、2人の愛はすぐ落ち着く。

つまり電子は活発には移動せん。

電子が移動しないてことは？

せや。

ここでやっと…満を持して太陽、光の出番や!!

空乏層の発生したpn接合の半導体に太陽光を当てると電子が動き出す。

実はこの時、太陽光が【別れさせ屋】の働きをするんや。

空乏層で出会った2人は、太陽光を浴びると別れるんや。

ほんで電子はn型半導体側に、ホールはp型半導体側に移動する。

この動きはどんどん伝播していきパネルの全体に働き、n型半導体にマイナス、

p型半導体にプラスが帯電していく。

こうやって太陽の光で電子が移動、電流が流れるんやでー。

n型半導体が負極、p型半導体が正極になるからこれに導線をつなげば、家で電気が使えるっちゅうわけや。