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光起電力効果(ひかりきでんりょくこうか、Photovoltaic effect)は、物質に光を照射することで起電力が発生する現象である。光電効果の一種である。

◆原理

電解質溶液などで発生する場合もあるが、半導体のpn接合や、半導体と金属とのショットキー接合部など、整流作用を持つ半導体の界面で発生するものがよく利用される。

こうした整流作用を持つ界面には内蔵電場が存在する。界面に入射した光によって伝導電子が増え(内部光電効果)、内蔵電場によって正孔と引き離される。これを電極から外部に取り出すことで光電流が得られる。

◇pn接合半導体の場合

番号は右図のものに適用する。

#p型とn型の半導体を接合すると、接合部付近では伝導電子と正孔がお互いに拡散して結びつく拡散電流が生じる。

#伝導電子と正孔が打ち消し合った結果、接合部付近にこれらキャリアの少ない領域(空乏層)が形成される。また、伝導電子と正孔をそれぞれn型、p型領域へ引き戻そうとする内蔵電場(および内蔵電場に従ってキャリアが動くドリフト電流)が生まれる。

#熱平衡状態においては、拡散電流とドリフト電流が釣り合い、フェルミ準位は一定となる。

#ここで半導体の禁制帯幅よりも大きなエネルギーを持つ光をpn接合に照射し、接合領域に於いて価電子帯の電子が光を吸収すると、禁制帯を越えて励起されて伝導電子(光電子)となり、その跡には正孔が残る(内部光電効果)。この光電子の発生によってドリフト電流が増大し、熱平衡状態が崩れる。空乏層に形成されている内部電場によって、光電子はn型半導体に、正孔はp型半導体に移動し、起電力が発生する。この起電力を光起電力と言う。

ここでn型半導体・p型半導体に電極を取り付けると、それぞれ負極・正極となって直流電流を外部に取り出すことができる。

◆応用

・フォトダイオードなどの光センサー

・太陽電池

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・光起電力効果 page1