光電効果とその応用
光電効果は、物質の表面に電磁放射（光子）が当たると、材料から光電子が放出される現象です。放出される光電子の運動エネルギー（Ee）は、入射光子エネルギー（hν）からその光電子が元々属していた殻の結合エネルギー（Eb）を引いたものと等しくなります。すなわち、Ee=hν-Ebと表されます。この現象は、光子が電子の結合エネルギー、すなわち物質の仕事関数を上回るか等しいエネルギーを持っている場合にのみ光電子が放出されます。
光電効果には多岐にわたる応用がありますが、ここでは主に以下の3つを紹介します。
1. 光起電力効果
光起電力効果は、一方のプレートに光エネルギーが当たることで電子が放出され、反対側のプレートに集まる現象です。このプレート間での電荷の蓄積はバッテリーのように機能します。光電効果と光起電力効果の主な違いは、光電効果が材料から電子が真空中に放出される場合に用いられ、光起電力効果が励起された電荷キャリアが材料内部に留まる場合に用いられる点です。どちらの場合も、電荷の分離によって電位差（または電圧）が生じ、光が励起のためのポテンシャルバリアを超えるのに十分なエネルギーを持っている必要があります。
2. 光電子放出
光のビームによって表面から電子が放出される現象です。放出された電子は真空管内のプレートに集められます。
3. 光導電効果
通常は導電性の悪い材料に光エネルギーを当てると、自由電子が生じて材料がより良い導体になる現象です。
光起電力効果の原理と応用
光起電力デバイスでは、光子が電気に変換されます。このプロセスには、光子吸収による電荷キャリアの生成、キャリアの分離と輸送、そして最終的に電極でのキャリアの収集が含まれます。
光子吸収
まず、太陽光の光子が太陽電池パネルに当たり、半導体材料に吸収されます。そのエネルギーは結晶格子内の電子に与えられ、エネルギーが電子の結合エネルギーより高ければ、電子は結合から解放されて導電帯で自由に動けるようになります。これにより、電子-ホール対が生成されます。
電荷キャリアの分離
最も一般的な太陽電池は、シリコンから作られた大面積のp-n接合（内蔵電場を持つ半導体構造）として構成されています。電子はこの電場によってn型側へ、ホールはp型側へ押し出されます。
電荷の収集と再結合
n型側で生成された電子は、接合によって「収集」され、n型側へ移動し、ワイヤを通って負荷を動かし、p型半導体-金属接触点に到達するまでワイヤを通じて移動します。ここで、p型側の太陽電池で生成されたか、またはn型側から接合を越えて移動したホールと再結合します。太陽電池アレイは、太陽エネルギーを直流電力（DC）に変換します。
光起電力効果の応用
光起電力応用の大部分では、放射線源として太陽光が使用され、これらのデバイスは太陽電池と呼ばれます。太陽エネルギーは現在市場で最も利用可能なエネルギーの一つであり、電力網の接続がない場所に電力を提供することができます。再生可能エネルギー源は、PVモジュールのコストが過去5年間で減少したため、そして他のエネルギー源と比較して汚染が少ないため、ますます人気が高まっています。
