みなさん、ご機嫌いかがお過ごしでしょうか
こんにちは！ サヘランです
この季節になると暖かな太陽の光もうれしく感じ、ここぞとばかりに屋根の太陽電池パネルも頑張ってくれています。また、日が暮れて夜長でもLEDの電飾がキレイに街を彩ってて華やぎます。
今回は、そんな太陽電池発電とLED発光の原理となる”光電効果、光量子仮説”の価値について見ていきましょう！
ちなみに、1905年光に打ち立てた量子仮説が1916年に証明されたことで、アインシュタインはこの業績によって1921年にノーベル物理学賞を受賞しています。
それではみなさん、光と半導体原子を取りまく不思議に…
しばしのお付き合いよろしくお願いします。
”高効率のエネルギー変換”がごく身近にあることの「再発見」の価値
LED（Light Emitting Diode）発光と太陽光電池（Solar Cell）は、エネルギー変換効率が高いとされています。
LED発光デバイスは、電気エネルギーを光エネルギーに変換するため、一般的に高いエネルギー変換効率を持っています。LEDは効率的であり、電気エネルギーのほとんどを光エネルギーに変換することができます。これにより、白熱電球などの従来の光源よりもはるかに効率的に光を生成することができます。
一方、太陽光電池は、太陽光を電気エネルギーに変換することを目的としています。太陽光電池のエネルギー変換効率は、太陽光の吸収率や電子の移動効率などに依存します。近年の技術進歩により、太陽光電池のエネルギー変換効率は向上しており、特に一部の高効率な太陽光電池では20〜25％の範囲でエネルギー変換効率が報告されています。無尽蔵の”太陽光”からの変換効率としては大変高いものです。太陽光電池の作動原理については以下のブログカードから関連記事をご覧いただけます
両方とも「軽薄短小」な装置で作動し「高いエネルギー変換効率」をもっているデバイスといえます。
アインシュタイン博士が『光の発生と変換に関する…』論文内で導入した光量子仮説が根本原理
アインシュタインの光量子仮説は、LED発光と太陽光電池の原理を理解する上で重要な役割を果たしています。
光量子仮説は、光が離散的な粒子（光子）として振る舞うとする仮説です。これは、光が波動ではなく、光子として粒子として振る舞うことを示唆しています。アインシュタインは1905年に、光の量子仮説を提唱しました。彼は、光がエネルギーを運ぶ小さな粒子（光子）の集合体であると主張し、これが光のエネルギー伝達の仕組みであるという理論を提唱しました。
LED発光の原理において、アインシュタインの光量子仮説は重要な役割を果たしています。LEDは、半導体中のエネルギーバンドギャップを超えるときに電子がエネルギーを放出することで光を生成します。この過程は、アインシュタインの光量子仮説に基づいて理解され、電子がエネルギーを光子として放出することで、光が発生するとされています。
同様に、太陽光電池の原理においても、アインシュタインの光量子仮説が重要な役割を果たしています。太陽光電池は、光子（光量子）が半導体内の電子を励起し、これが電子の移動と電流の生成をもたらします。アインシュタインの光量子仮説は、光エネルギーが電子に励起をもたらす過程を説明するために重要な基礎となっています。
このようにアインシュタイン博士は、LED発光と太陽光電池の原理に関連して、光量子仮説にて重要な貢献をしました。
LED発光と太陽光電池の両方ともが半導体素子内の、光や電子の動きに基づいてエネルギーの変換を行っている
LED発光と太陽光電池は、それぞれの動作原理において、原子のエネルギー準位と電子の挙動が重要な役割を果たしています。
太陽光電池の場合、光エネルギーが太陽電池の半導体に到達すると、光子（光エネルギー）が半導体内の原子の電子を励起し、エネルギーを吸収します。この励起された電子は、バンドギャップ（エネルギーバンドの間の差）を超えて伝導帯に移動し、そこで電流を生み出します。このプロセスでは、原子のエネルギー準位が変化し、電子が励起されることでエネルギーが放出されます。
一方、LEDでは電気エネルギーが半導体に流れ込むと、電子は特定のエネルギー準位に移動し、この際に追加されたエネルギーが光子（光）として放出されます。この過程は「放出効果」として知られており、電子が原子のエネルギー準位を変化させ、その過程で光が放出されます。
両方のデバイスにおいて、電子のエネルギー準位の変化や励起、そしてそれに伴う光の放出が重要な役割を果たしています。しかし、太陽光電池は光エネルギーを電気エネルギーに変換し、LEDは電気エネルギーを光エネルギーに変換します。そのため、それぞれの装置は異なる目的でエネルギーを変換するためのものです。
ネオンサインに替わって街を彩るLED発光の灯りと、その電気供給元たる太陽光電池の恩恵
いかがでしたでしょうか、
２１世紀も４半世紀を回ろうとしている現代、街の風景の何が変わったかと見渡してみますと…
昼間街を歩けば、屋根の上に薄く乗っかっている、太陽光電池の数々がまず目に飛び込んできます。
日が落ちて、夜になって街並みを通れば、LED照明やLED電飾がキレイに街を彩って鮮やかです。
こららの街の風景はアインシュタインのいった
「光はエネルギーを運ぶ小さな粒子（光子）の集合体である、これが光のエネルギー伝達の仕組みである」
というような”光電効果、光量子仮説”の価値にほかならないと思うと…
街の見え方もちょっと違って見えたりして「趣深い」のじゃないでしょうか！？
それではみなさん、最後までご覧いただきありがとうございます！
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