光電効果の歴史と太陽光発電におけるその役割

太陽電池は、太陽の光によっ これを知って、私たちが尋ねるべき最初の質問は、”光とは何ですか？”光を電気に変換することはどのように可能ですか？”これらは簡単に答えられた質問ではありません。

光の性質を理解することは、このテーマに取り組んでいる哲学者や科学者の何世紀にもわたって挑戦的な課題でした。 光学は、男性によって研究された最も古い分野の一つであり、光を電気に変換するプロセスは、カジュアルな観察から始まりました。

量子物理学の正式な研究ではないが、この記事は、光とその応用の研究に専念した科学者や哲学者のいくつかからの重要な発見を教えることを これは、太陽電池が光を電流に変換する方法を理解するための基礎を設定します。

注：この記事で採用されている単位系は、国際単位系（SI）とSIで使用するために受け入れられている単位です。

光の理解の始まり

光の性質に関する研究は、古代ギリシャで始まることが知られており、プラトン、ソクラテス、アリストテレス、ピタゴラス、ユークリッド（光学）のような哲学者がこの問題について意見を出した。 イスラム世界の中世の間、アブー-アリ-モハメド-イブン-アル-ハーン-イブン-アル-ハイサムのような科学者は、現在のアルハゼンとして知られていた光と視覚の理論に取り組んだ。1600年代から1930年代にかけて、多くの有名な科学者は、光が何であり、どのように機能するかについての理解に向けて重要なステップを踏み出しました。 1672年、アイザック-ニュートンは、波ではなく粒子が光を作ると述べた（粒子理論）。 Christiaan Huygens、Thomas Young、およびAugustin-Jean Fresnelは、光は波であると信じていました。 ジェームズ-クラーク-マクスウェルは電磁波の存在を理論的に予測した。 マックス-プランクは、黒体が離散的なパケットでエネルギーを放出すると考え、アルバート-アインシュタインは光がエネルギーの束で来たと主張した。

波の中の光の動きを証明する

1678年、Christiaan Huygensは、光の波がどのように、どこで伝播するかを定義するための有用な技術を開発しました。 ホイヘンスのスリットを通過する光の原理は、光が波であることを証明するのに役立ちました。 しかし、その時までに、この原則は、主にアイザック-ニュートンの意見の相違と科学社会の間の彼の評判のために、光が波であることを示すのに十分な証拠とは考えられていなかった。1801年、トーマス-ヤングは二重スリット干渉実験を行った。 この実験は、二つのスリットを通過する光の波が重なり合い（互いに加算または相殺）、干渉パターンを形成することを示した。 水の波、音波、およびすべての異なるタイプの波は、この同じ干渉現象を表示します。 この実験の結果は、光の波の性質を証明しました。

1865年にジェームズ-クラーク-マクスウェルは、彼の出版物で、光のビームは電場と磁場の進行波、すなわち電磁波であることを電磁場の力学理論を示した。 Fizeauとフーコーによって測定された光の速度と波の速度を比較すると、彼は結論づけた:

“結果の一致は、光と磁気が同じ物質の愛情であり、光が電磁界を伝播する電磁妨害であることを示しているようです。”

ホイヘンスの光の波理論は、マクスウェルの電磁理論よりも数学的に複雑ではありませんでした。

光の波長と周波数を計算する

光の色は波長に依存し、光を電磁波として理解します。 周期波では、波長（λ）は、波形上の波高から波高までの距離または波高から波高までの距離である。 波長の通常の単位は、メートル、センチメートル、ミリメートル、およびナノメートルです。

可視スペクトルでは、紫は最短の波長を持ち、赤は最長の波長を持っています。 紫外線（ＵＶ）放射の波長は、紫色光の波長よりも短い。 同様に、赤外放射の波長は、赤色光の波長よりも長い。

図1. 可視スペクトルは、人間の目に見える電磁スペクトルの部分です。 ミシガン州立大学の画像提供。波の周波数fは、単位時間当たりの固定小数点を通過する波の数であり、ヘルツ（Hz）で測定されます。

波の周波数fは、単位時間当たりの固定小数点を通過する波の数であり、ヘルツ（Hz）。 一つのヘルツは、一秒で固定点を通過する一つの波に等しい。 現在も使用されているのは、1秒あたりの元の用語のサイクルです。周期T=1/fは、周期的な波がその運動の1つの完全なサイクルを通過するのにかかる時間です。

周期T=1/fは、周期的な波がその運動の1つの完 SI単位は第2の単位である。

波長、周波数、周期の概念を結びつける前に、光は進行波であることを指摘することが不可欠です。

進行波はある方向に移動し、一つの波長λの距離を一つの周期Tに等しい時間で移動する。移動する場合、速度vを有する。この速度は、式v=λ/T=λ·fによって周波数と波長に関係する。

受け入れられた光の速度は299,792,458m/sであり、2.998×10λに丸められ、cとして表される。波長から周波数への変換（またはその逆）が必要なたびに、式c=λ·fが使用される。

図2. 電磁波の図。 国立気象サービスの画像提供。

電磁スペクトルは、ガンマ線、x線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、および電波の領域に増加する波長の順に分離されています。 太陽からの電磁エネルギーは、主に可視および赤外線の波長で構成され、少量の紫外線、マイクロ波、および電波放射があります。

図3.可視光の色と波長。

可視光の色と波長は次のとおりです。

• バイオレット（400-450nm）
• インディゴ（420-450nm）
• ブルー（450-495nm）
• グリーン（495-570nm）
• イエロー（570-590nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）
• オレンジ（590-620nm）人間の目は、400nmから750nmの波長を持つ、この色の混合物を白として認識します。
• 赤（620-750nm）

人間の目は、400nmから750nmの波長を持つ、この色の混 白色光は、ほぼ均一な強度を有する可視スペクトル内の事実上すべての色からの成分からなる。 プリズムを通して渡されたとき、白色光はすべての色に回折されます。

図4。 白色光は、すべての色の光の混合物です。ニュートンは、白色太陽光を着色成分に分離することに成功した最初の人物でした。

黒体放射とプランク定数

1860年、Gustav Kirchhoffは、いくつかの物体がそれらに当たったすべてのエネルギーを吸収して放出すると述べました。 彼はこの発生を黒体放射線と呼んだ。 KirchhoffとRobert Bunsenは太陽のスペクトルを研究し、1861年に論文を発表し、そこで太陽の大気中の化学元素とそれらの元素のスペクトルを同定した。 キルヒホフは1862年にこのトピックに関する彼の研究のためにラムフォードメダルを授与された。1900年、マックス-プランクは黒体放射の徹底的な研究を行い、放射されるエネルギーの量は黒体が吸収した電磁波の周波数に比例すると結論づけた。 このエネルギー放出は、彼が”quanta”と呼んだ小さな離散的なエネルギーパケットの形であった（quantumはラテン語の”how much,how many”からの単数形である）。 これらの量子は、定数の倍数の特定の離散値のみを取得できます。 今日、この概念はプランク定数として知られています。1901年、プランクは、放射エネルギーを仮定すると、”エネルギー要素”の整数で構成されていることを示しました。”エネルギー要素Eは周波数fに比例しなければならないので、

E=h·f

ここで、

E=エネルギー要素

h=プランク定数（6.626 10π3π J s）

f=電磁放射の周波数

これらの値は量子化されていると言われており、このデモは量子化されている。微細な素粒子の性質を研究する量子物理学の発展における最初の重要なステップ。 誰かが量子化されたエネルギーに気づいたのは初めてでした。しかし、プランクは、彼の数学的分析が示したように、放射線が小さなビットに分割されたとは信じていませんでした。

しかし、プランクは、彼の数学的 彼は、e=h·fは、黒い体の技術的な問題を解決するための正しい答えを与えた数学的なトリックや利便性であると考えており、その物理的な意味につ 彼自身の言葉で:

“アクションの量子が架空の量であった場合、放射線法の全体の控除は主な幻想にあり、式の空の重要でない遊びに過ぎませんでした。”

ヘルツとHallwachsは光電効果を理解するために働いています

光電効果は長年にわたって研究されており、まだ完全には理解されていません。1887年、Heinrich HertzはMaxwellの仮説をテストするためにspark gap generatorを使ったいくつかの実験を設計しました。 これらの実験は、電磁波の最初の送受信を生成しました。

送信機の二つの小さな金属球の間に発生した火花は、受信機として働いていた銅線ループ内の二つの磨かれた真鍮のノブの間にジャンプした火花 小さな火花は、これら二つの電極の間にジャンプしました。 ヘルツは、電極を紫外線で照らすことで、受信機の火花をより活発にすることができることに気づいた。 彼は観測された現象を説明できる理論を作成しませんでしたが、これは光電効果の最初の観測でした。

一年後、Wilhelm Hallwachsはこれらの結果を確認し、二つの亜鉛板を電極とし、電池に接続された排気石英電球に輝く紫外線は、電子放出、または光電電流に起因する電流を発生させることを示した。

Stoletovと写真効果

1888年から1891年まで、ロシアの物理学者Alexander Stoletovは写真効果の分析を行いました。 彼は、光の強度と誘導された光電電流との間の正比例を発見した。 今日、これはStoletovの法則として知られています。

電子の発見

1897年にJjトムソンは、彼が”小体”と呼ばれる電子を発見しました。”彼はその後、それが埋め込まれた電子を持つ正に帯電した物質の均一な球だったので、一般に”プラムプディングモデル”として知られている原子の構造のためのモデルを提案するようになりました。 1899年、彼はヘルツの実験における感度の増加は、小体を押す光の結果であることを示した。 トムソンは、紫外線が陰極線に見られるのと同じ粒子である電子の放出を引き起こすことを認識した。

1911年、JJトムソンの学生ラザフォードは、原子をほぼすべての質量を集中させ、その周りに電子（負電荷）が惑星系のようにある距離で循環する正に荷電したコア（核）として記述するモデルを提案した。1899年、Philipp Lenardは、金属に紫外線を照射すると負電荷や光電子が放出される可能性があることを示しました。 彼は、放出された光電子の運動エネルギーは、同じ周波数の光の強度とは無関係であることを発見した。 しかし，エネルギー保存の法則と一致して，薄暗い光源よりも明るい光源によってより多くの光電子が放出された。

アインシュタインがニュートンの小体とプランクのエネルギー要素をどのように組み合わせたか

アルバート-アインシュタインは、アイザック-ニュートンが提唱した光小体のアイデアを復活させることによって光電効果を説明しようとした。 また、1905年、彼はプランクのエネルギー要素を真剣に受け止め、光がエネルギーの束になることを提案した最初の科学者でした。 ビームには、”量子”の束があります。”彼は光が”粒子であるとは言いませんでした。”アインシュタインによると、”光量子”エネルギー E Λは次のとおりです。

E Λ=h·f

ここで、前のように：

h=プランク定数（6.626 10π3π J s）

F=電磁放射の周波数

アインシュタインはプランクのモデルが本物であることを認識した。 私たちが電磁放射の連続的な波として知覚するのは、離散量子の流れです。 量子物理学のためのこの本質的な公式は、プランク-アインシュタイン関係としても知られており、プランクの仕事にも信用を与えている。

アインシュタインの予測は次のとおりでした。

:

e Λ=電子のエネルギー

v=電子の速度

m=電子の質量

e Λ=光量子のエネルギー

W=仕事関数（金属に依存する定数）

E Λ=電子のエネルギー

E Λ=電子のエネルギー

E Λ=電子のエネルギー

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

E Λ=電子の質量

仕事関数wは、特定の金属から電子を放出するのに必要なエネルギー（ある種の放出エネルギー）です。 それは、金属、その結晶構造、および表面がどのように研磨されているかに依存する。アインシュタインは、光量子が金属にエネルギー E∞を供給するとき、そのうちのいくつかは仕事関数に行き、残りは運動エネルギーとして電子に行くと述 供給されるエネルギーが正確にその仕事関数である場合、金属はゼロ速度で電子を放出する。 また、この方程式から、すべての光周波数が特定の金属上の電子を放出するわけではないと判断することもできます。

実験データは当時不正確であり、1916年にRobert Andrews Millikanがアインシュタインの予想を検証したのは、光電子のエネルギーの測定の十年後でした。アインシュタインはまた、量子は運動量を持っていることを提案しました。

1917年、彼はp=E Π/c=h·f/c=h/πの運動量を光量子に割り当てることによって彼の理論を開発した。 それだけで、それは本当の粒子の特性を持っていました。 彼は、光が波のように振る舞い、粒子のように振る舞うことを確認しました。

1921年、アインシュタインは”理論物理学への彼のサービスのために、特に光電効果の法則の彼の発見のために物理学のノーベル賞を受賞しました。”彼は1年後、1922年にそれを受け取った。1923年、コンプトンは光の量子エネルギーと運動量に関する仮定を実験的に検証し、散乱実験を用いて電子をx線量子で衝突させた。

ギルバート-ルイスの光子の発見

光量子という言葉を聞いて理解することはできますが、光子について話したり書いたりするのが通例です。 1926年、物理化学者のギルバート・ルイスは、光量子の代わりに、新しい種類の原子（光子と呼ばれるもの）を光のキャリアとして考えるべきであると提案した。しかし、ルイスの光子はアインシュタインの提案から分岐した概念であった。 物語はここで説明するには長すぎますが、1920年代後半から、物理学者は、アインシュタインが1905年に導入した光量子の適切な同義語であると光子という用語を考えました。

光電効果は、光が金属に輝くときに発生します。 画像提供：Feitscherg(CC BY-SA3.0)

図5。 光電効果は、光が金属に輝くときに発生します。 の画像提供Feitscherg(CC BY-SA3.0)

レビュー：光電効果の特性

以下の特性は、光電効果に関する実験的観測を要約します。

• 光を照射した研磨された金属板は、光電電流を作
• 与えられた感光性材料のために、何も起こらない光の臨界周波数があります。 周波数が増加すると、プロセスが機能し始め、光電子が放出されます。 この大きさはしきい値周波数f θであり、強度がどんなに高くても、f>f θに対してのみ電流があります。 f2は、金属、その表面状態（すなわち、それがどのように研磨されているか）、および金属の結晶構造中の自由電子に依存する。
• 電流の大きさは、f>fₒであれば、光の強度に正比例します。
• 重要な特性は、光電子のエネルギーが光の強度に依存しないことです。
• 光電子のエネルギーは、光の周波数とともに直線的に増加する。 光電効果のこの特性は、光を波として考えると、理解するのは容易ではありません。 アインシュタインは答えを思いついた：光はエネルギーの束で来る。太陽電池がどのように機能するかをよりよく理解するためには、光の性質と光が電気エネルギーを生成する現象を理解することが重要です。

光は波と粒子の両方のように振る舞います。 金属の上に輝いた光は、その表面から電子を排出します。 この現象は光電効果であり、電子は光電子と呼ばれます。 実験は、光周波数を増加させることによって、光電子の運動エネルギーが増加し、光を強めることによって、電流が増加することを示している。