《理論》〈電子理論〉[R01:問11]太陽電池に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

次の文章は,太陽電池に関する記述である。

太陽光のエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものとして,半導体を用いた太陽電池がある。\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体と\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体による\( \ \mathrm {pn} \ \)接合を用いているため,構造としては\( \ \fbox {  (ア)  } \ \)と同じである。太陽電池に太陽光を照射すると,半導体の中で負の電気をもつ電子と正の電気をもつ\( \ \fbox {  (イ)  } \ \)が対になって生成され,電子は\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体の側に,\( \ \fbox {  (イ)  } \ \)は\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体の側に,それぞれ引き寄せられる。その結果,\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体に付けられた電極がプラス極,\( \ \mathrm {n} \ \)形に付けられた電極がマイナス極となるように起電力が生じる。両電極間に負荷抵抗を接続すると太陽電池から取り出された電力が負荷抵抗で消費される。その結果,負荷抵抗を接続する前に比べて太陽電池の温度は\( \ \fbox {  (ウ)  } \ \)。

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
\[
\begin{array}{cccc}
& (ア) & (イ) & (ウ) \\
\hline
(1) & ダイオード & 正孔 & 低くなる \\
\hline
(2) & ダイオード & 正孔 & 高くなる \\
\hline
(3) & トランジスタ & 陽イオン & 低くなる \\
\hline
(4) & トランジスタ & 正孔 & 高くなる \\
\hline
(5) & トランジスタ & 陽イオン & 高くなる \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

太陽電池の構造に関する問題です。構造は非常に単純で,\( \ \mathrm {pn} \ \)接合した半導体を利用します。(ウ)以外は太陽電池の基本事項になるので,確実に理解しておくようにしましょう。

1.太陽電池の構造
図1のように\( \ \mathrm {pn} \ \)接合した半導体に光を照射すると,電子正孔対が生成され,電子は\( \ \mathrm {n} \ \)形半導体側に正孔は\( \ \mathrm {p} \ \)形半導体側に引き寄せられエネルギーが溜まった状態になります。その後,外部負荷を接続すると,溜まった電子及び正孔が外部抵抗側に行き,抵抗でエネルギーを消費することになります。

【解答】

解答:(1)
(ア)
ワンポイント解説「1.太陽電池の構造」の通り,\( \ \mathrm {pn} \ \)接合したダイオードと同じ構造をしています。

(イ)
ワンポイント解説「1.太陽電池の構造」の通り,光を照射すると電子―正孔対ができます。

(ウ)
太陽電池は光を照射することにより,温度が上昇します。負荷抵抗を接続することで,太陽電池に蓄えられたエネルギーが放出されるので,負荷抵抗を接続する前に比べて温度は下がります。