전구 및 축음기 등 다양한 종류의 발전기를 발명하고 직류송전을 시험하였으며, 전기자동차의 개발도 추진한 발명왕 토마스 에디슨이 만약 현대에 살았다면 태양광발전에 대해 어떠한 생각을 가졌을까? 실제로 흥미로운 기계장치라고 생각하지 않았을까. 왜 흥미로울까 그것은 어디에도 발전기와 유사한 구조가 없기 때문이다. 회전운동을 전류로 변환시키는 발전기뿐만 아니라 열을 내거나, 빛을 발하거나 움직이는 부분이 없다. 

태양광발전시스템 중에서 빛을 전류로 변환시키는 것은 태양전지라는 얇은 판이다. 다결정 실리콘 태양전지는 15cm 정도의 실리콘의 얇은 판을 다수 배열한 것이다. 얇은 판의 두께는 100μm 정도이다. 이 얇은 판에 태양광이 닿으면 전류가 발생하는 이유는 “광전효과”라는 현상이 발생하기 때문이다. 광전효과는 금속 등 다양한 물질에 빛(광자)이 닿으면 전자가 빠져 나오는 현상이다. 방사선의 발견자 앙투안 베크렐(Antoine Henri Becquerel)의 아버지 에드먼드 베크렐(Alexandre Edmont Becquerel)이 1839년에 발견한 현상이다. 

주택의 지붕 설치용 및 메가솔라 등 대규모로 보급되고 있는 태양전지는 실리콘을 사용한다. 광전효과가 철판에서도 발생한다면 왜 일부러 실리콘을 사용하는가. 여기에는 두 가지 이유가 있다. 전류의 획득과 효율의 문제가 있다. 태양전지는 태양광으로부터 전자의 흐름(전류)을 생성시키는 것이 목적이다. 일반적인 광전효과(외부 광전효과)에서는 전자가 어디론가 날아가 버려 전류로서 획득할 수 없다. 때문에 물질의 내부에서 광전효과(내부 광전효과)를 발생시킬 필요가 있다. 물질 내부에서 광전효과를 일으키는 것은 실리콘과 같은 반도체를 사용하면 된다. 두 종류의 반도체가 중첩된 구조를 사용하여 태양전지를 만들면 광전효과를 일으킨 전자가 태양전지의 내부로부터 표면으로 이동한다. 태양전지 표면에 설치된 작은 전극에서 감지하여 전류로서 획득한다. 광전효과가 일어날 때 전자와 동일한 장소에서 “정공”이 생성된다. 정공은 플러스 전기를 띤 입자로 태양전지의 반대편에 부착된 전극으로 향한다. 

두 종류의 반도체를 사용하는 이유는 다음과 같다. 만약 한 종류의 반도체, 예를 들면 실리콘 결정으로 이루어진 얇은 판을 태양전지로서 사용한다면 태양광이 입사하여 내부 광전효과가 발생하여 전자와 정공의 대립이 발생한다. 전자와 정공은 서로 끌어당기는 성질이 있기 때문에 외부로 전류로서 빼내는 것은 불가능하여 내부에서 재결합함으로써 열로 바뀐다. 그러나 이것은 바람직한 것은 아니다. 

2종류의 반도체의 경우, 한쪽에 아주 조금 정공이 많은 플러스의 전하를 갖는 p형 반도체, 다른 한 쪽에 아주 조금 전자가 많은 마이너스의 전하를 갖는 n형 반도체를 중첩시키면, 경계에서 극히 단시간에 전류가 흐른다. 그 후, 경계부분에 남은 정공도 없는 “공빈층”이 형성되어 안정해진다. 공빈층에는 n형 반도체에서 p형 반도체로 향하는 내부전계가 만들어져 일종의 경계가 형성된다. 이 상태에서 빛을 비추어 n형 반도체측에서 전자와 정공이 만들어진다고 하면, 전자는 공빈층의 전계와 반발하여 표면의 전극으로 향한다. 정공은 역방향으로 향한다. 이러한 움직임은 빛이 비치는 한 계속된다. 내부 광전효과에 따라 발생한 전자와 정공을 무사히 빼낼 수 있게 된다. 

광전효과가 발견된 50년 후 각종 실험 결과, 이상한 점을 알게 되었다. 여러 가지 파장(색)의 빛을 비추어 광전효과에 어떠한 차이가 발생하는가를 확인한 실험이다. 철판에서 광전효과가 일어나는 것은 살균용의 자외선 등 짧은 파장의 빛을 비추었을 때뿐이었다. 자외선을 강하게(밝게) 하면, 빠져 나오는 전자의 수는 많아진다. 그러나 자외선보다도 파장이 긴 빛, 예를 들면 파란 빛을 아무리 강하게 비추어도 광전효과는 일어나지 않는다. 그리고 상세하게 조사하면 물질의 종류에 따라 광전효과를 일으키는 한계의 파장이 정해진다는 것과 광전효과가 일어났을 때 비춘 빛의 파장과 빠져 나온 전자의 에너지에 직접적인 관계가 있다는 것을 알게 되었다. 

그러나 왜 그렇게 되는지는 전혀 모른다. 이 문제를 해결한 것이 20년 후의 1905년에 발표된 알베르트 아인슈타인의 광양자가설이었다. 광양자가설에 대해서는 더 이상 설명하지 않으나, 태양전지의 재료로서 철이 부적절한 것은 알고 있다. 광전효과를 일으키는 데 필요한 파장이 너무 짧기 때문이었다. 지상에서는 태양광에 포함된 자외선의 양은 극히 적다. 따라서 광전효과는 거의 일어나지 않는다. 태양광 중에서 강도가 가장 강한 파장은 약 500nm(녹색)이다. 따라서 태양전지를 설계할 때 500nm의 빛으로 광전효과를 일으키는 재료를 선택할 필요가 있다. 이것은 실리콘을 선택하는 이유 중 하나이다. 

앞에서 설명한 광전효과의 복잡한 성질은 태양전지의 재료선택에 깊게 관계하고 있다. 보다 짧은 파장(예를 들면 파란 빛)에서 광전효과를 일으키는 재료를 선택하면 보다 높은 전압을 얻을 수 있다. 그 대신 짧은 파장의 빛은 적기 때문에 전류(흐르는 전자의 개수)가 줄어든다. 보다 긴 파장(예를 들면 빨간 빛)에서 광전효과를 일으키는 재료를 선택하면, 대량의 빛을 이용할 수 있는 전류는 증가한다. 그러나 전압이 낮아져 버린다. 태양전지가 만드는 전력은 “전류×전압”으로 표시되기 때문에 광전효과를 만드는 재료를 신중하게 선택함으로써 전력을 최대화할 수 있다. 그것이 실리콘이다. 

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 08. 19]

　なぜなぜ短期連載では、さまざまな?電の仕組みを紹介する。第1回は「太陽光?電」だ。

　電球や蓄音機の他、ある種の?電機を?明し、直流送電を試み、電?自動車の開?も進めた?明王ト?マス?エジソン。もし現代にエジソンがよみがえったとして、太陽光?電にどのような感想を持つだろうか。?に興味深い機械だと考えるに違いない。

　なぜ興味深いか。それはどこにも?電機らしい構造がないことだ。回?運動を電流に?える?電機はもちろん、熱を?びたり、光ったり、動く部分がない。

　太陽光?電システムの中で、光を電流に?えているのは太陽電池と呼ばれる薄い板だ。?1に示した「多結晶シリコン太陽電池」は15cm角程度のシリコン（ケイ素）の薄板を多??べたものだ。薄板の厚さは10分の1mm（100μm）程度。

　この薄板に太陽光が?たると電流が生じる理由は「光電?果」と呼ばれる現象が起こるからだ。光電?果とは金?などさまざまな物質に光（光子）を?てると電子が飛び出す現象。東日本大震災以降、人口に膾炙した放射線の?見者アンリ?ベクレルの父、アレクサンドル?ベクレルが1839年に?見した現象だ。

　物理?者の名前が飛び出してくるものの、現象としてはそれほど珍しいものではない。例えば?板を太陽光に?てたときにも光電?果はわずかに生じる。太陽電池以外ではデジカメの撮像素子も光電?果を利用している。

なぜ?板は太陽電池にならないのか

　住宅の屋根置き用やメガソ?ラ?など、大規模に普及している太陽電池はシリコンを使う。光電?果が?板でも起こるならなぜわざわざシリコンを使うのだろうか。

　2つ理由がある。電流の取り出しの問題と、?率の問題があるからだ。まず電流の取り出しの問題を?明しよう。

　太陽電池は太陽光から電子の流れ（電流）を生み出すことが目的だ。一般的な光電?果（外部光電?果）では電子がどこかに飛び出していってしまい、電流として取り出せない。そのため、物質の?部で光電?果（?部光電?果）を起こす必要がある。物質の?部で光電?果を起こすには、シリコンのような「半導?」を使うとよい。2種類の半導?が重なった構造を使って太陽電池を作り上げると、光電?果を起こした電子が太陽電池の?部から表面に浮き上がってくる。これを?1に示したように太陽電池表面に張り巡らせた細い電極で拾い上げると、電流として取り出せる。

　光電?果が起きたとき、電子と同じ場所で「正孔」（ホ?ル）が生まれる。正孔はプラスの電?を?びた粒と見なすことができ、正孔は太陽電池の逆の面に付いた電極に向かう。

　2種類の半導?を使う理由はこうだ。もし1種類の半導?、例えば、シリコン結晶からできた薄板を太陽電池として使ったとしよう。太陽光が入射し、?部光電?果が起こると、電子と正孔の?ができる。電子と正孔は互いに引き合う性質があるので、外に電流として取り出すことはできず、?部で再結合して熱に?わってしまう。これではダメだ。

　2種類の半導?、一方はわずかに正孔が多くプラスの電荷を持ったp型半導?、もう一方はわずかに電子が多くマイナスの電荷を持ったn型半導?を重ね合わせると、境界でごく短時間に電流が流れる。その後、境界部分には余った正孔も電子もない「空乏層」ができて安定する。空乏層には、n型半導?からp型半導?に向かう?部電界が作られて、一種の「坂」ができる。

　この?態で光を?て、例えばn型半導?側で電子と正孔が生まれたとしよう。電子は空乏層の電界と反?して表面の電極に向かう。正孔は逆方向に向かう。このような動きは、光が?たっている限り?く。?部光電?果によって生じた電子と正孔を無事取り出せたことになる。

[원문출처: http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1308/12/news058.html]