今回は令和元年度 理論科目 A問題11を解説します。太陽電池の構造（pn接合）・光照射で生成されるキャリヤ・負荷抵抗を接続したときの太陽電池の温度を問う穴埋め問題です。
太陽電池はpn接合＝ダイオードと同じ構造です。光を当てると電子-正孔対が生成し、電子はn形側・正孔はp形側へ移動して起電力が生じます。負荷を接続するとエネルギーが外部で消費されるので、太陽電池自身の温度は低くなる点がポイントです。
令和元年度 理論科目 A問題11：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和元年度 第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題11
電験3種 理論科目 【電子理論（半導体等）】 令和元年度 A問題11
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。p形半導体とn形半導体によるpn接合を用いているため、構造としては(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(イ)が対になって生成され、電子はn形半導体の側に、(イ)はp形半導体の側に、それぞれ引き寄せられる。その結果、p形半導体に付けられた電極がプラス極、n形半導体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(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。
(ア) (イ) (ウ) (1) ダイオード 正孔 低くなる (2) ダイオード 正孔 高くなる (3) トランジスタ 陽イオン 低くなる (4) トランジスタ 正孔 低くなる (5) トランジスタ 陽イオン 高くなる
出題のポイント：(ウ)の温度が本問の急所
(ア)(イ)は太陽電池の基本で、知っていれば即答できます。本当の勝負は(ウ)の「負荷を接続すると温度はどうなるか」です。
エネルギー保存で考えます。太陽光から受け取ったエネルギーは、電気として外部へ出るか、熱になるかのどちらか——電気として持ち出せば、熱になる分が減ります。
だから答えは「低くなる」です。直感的には「電流が流れるから発熱しそう」と思いがちですが、逆です。
解説：3つの空欄を順に埋める
| 空欄 | 答え | 根拠 |
| (ア) | ダイオード | pn接合が1個＝ダイオードと同じ構造 |
| (イ) | 正孔 | 光で電子と対になって生じる正のキャリヤ |
| (ウ) | 低くなる | 電力を外部へ取り出す分、内部の発熱が減る |
(ア)は「トランジスタ」ではありません。トランジスタはpn接合が2個（3層構造）——太陽電池はpn接合1個（2層）なので、ダイオードと同じです。
(イ)は「陽イオン」ではありません。光で生まれるのは電子と正孔のペア——陽イオンは原子核ごと動くもので、固体の中では動きません。
(ウ)は問題文の流れをよく読むと分かります。「取り出された電力が負荷抵抗で消費される」——熱は太陽電池ではなく負荷側で出ているのです。
誤答の正体：「電流が流れるから熱くなる」という直感
| 選択肢 | (ア) | (イ) | (ウ) | 判定 |
| (1) | ダイオード | 正孔 | 低くなる | ◎ |
| (2) | ダイオード | 正孔 | 高くなる | ×（(ウ)だけ誤り） |
| (3) | トランジスタ | 陽イオン | 低くなる | × |
| (4) | トランジスタ | 正孔 | 低くなる | ×（(ア)が誤り） |
| (5) | トランジスタ | 陽イオン | 高くなる | × |
(2)が最大の引っかけです。(ア)(イ)は正しいのに、(ウ)だけ「高くなる」——「電流が流れれば発熱する」という直感に従うと、こちらを選んでしまいます。
発熱するのは負荷抵抗のほうです。太陽電池からエネルギーが出ていくので、太陽電池自身は冷える——エネルギー保存を丁寧に追えば分かります。
⚠️ よくある間違い
太陽電池の内部抵抗による発熱もありますが、それより取り出す電力のほうがはるかに大きいです。だから正味では温度が下がります。最大電力点で運転すれば、最も冷えることになります。
☝️ ひっかけの作り方：「pn接合を用いているため、構造としては(ア)と同じ」——問題文が「構造として」と限定しています。働きは違っても、構造はダイオードと同じという意味です。
深掘り①：太陽電池の温度特性
太陽電池は温度が上がると性能が落ちます。だから「温度が下がる」ことは、性能上も好ましいのです。
| 特性値 | 温度が上がると | 変化の割合（Si） |
| 開放電圧 \(V_{oc}\) | 下がる | 約 \(-0.3\ \%/{}^\circ\mathrm{C}\) |
| 短絡電流 \(I_{sc}\) | わずかに上がる | 約 \(+0.05\ \%/{}^\circ\mathrm{C}\) |
| 最大出力 \(P_{max}\) | 下がる | 約 \(-0.4\ \%/{}^\circ\mathrm{C}\) |
電圧の低下が支配的なので、全体として出力は下がります。\(25\ ^\circ\mathrm{C}\) から \(75\ ^\circ\mathrm{C}\) に上がると、出力は約20 %減——無視できない差です。
夏の晴天日は日射が強い一方でパネルも熱くなるので、春や秋のほうが効率が高いことがあります。太陽光発電の実務でよく知られた現象です。
だから設置では風通しが重視されます。屋根に密着させるより、少し浮かせて空気を通したほうが発電量が増える——裏面の放熱が効くからです。
深掘り②：太陽電池とダイオードの関係
太陽電池は「光を当てたダイオード」です。等価回路も、ダイオードに電流源を並列につないだ形になります。
| 普通のダイオード | 太陽電池 | |
| 構造 | pn接合1個 | pn接合1個（同じ） |
| 受光面 | なし（遮光されている） | 広く取る |
| 使い方 | 電流を通す／止める | 光で発電 |
| 動作領域 | 第一・第三象限 | 第四象限（電圧正・電流負） |
太陽電池は「電力を出す」ので第四象限で動作します。電圧は正、電流は外向き（負）——電池としての動作です。
実際、普通のダイオードに強い光を当てても、わずかに電圧が出ます。透明パッケージのLEDなら、太陽電池として働くのが確認できます——効率は極めて低いですが。
深掘り③：pn接合の数で素子が決まる
(ア)の判定は「pn接合が何個あるか」で決まります。素子ごとに整理しておきましょう。
| 素子 | pn接合の数 | 層構造 | 端子数 |
| ダイオード・太陽電池・LED | 1個 | pn（2層） | 2端子 |
| バイポーラトランジスタ | 2個 | pnp／npn（3層） | 3端子 |
| サイリスタ | 3個 | pnpn（4層） | 3端子 |
「層の数 −1 ＝ 接合の数」です。2層なら1接合、3層なら2接合、4層なら3接合——単純な引き算で分かります。
端子数は層の数とは一致しません。サイリスタは4層なのに3端子——ここが正誤問題でよく狙われるポイントです。
深掘り④：光で生まれるのは「電子と正孔の対」
(イ)で「陽イオン」を選ばないための理解を固めておきましょう。半導体の中で動けるのは電子と正孔だけです。
| 粒子 | 半導体中で動けるか | 備考 |
| 電子 | 動ける | 負のキャリヤ |
| 正孔 | 動ける | 正のキャリヤ（電子の抜けた穴） |
| 陽イオン（原子核） | 動けない | 結晶格子に固定されている |
ドナーイオンやアクセプタイオンは結晶に固定されています。電荷は持っていますが動けない——だから電流には寄与しません。空乏層で電界を作る役割だけです。
電解液の中なら陽イオンも動きます（電池・電解）。固体の半導体では動かない——この違いを押さえておいてください。
⏱️ 本番での進め方
❶ pn接合1個＝ダイオードと同じ構造——トランジスタは2個。
❷ 光で生まれるのは電子と正孔の対——陽イオンではない。
❸ 負荷をつなぐと温度は【低く】なる——エネルギーが外へ出るから。
❹ (2)は(ア)(イ)が正しく(ウ)だけ誤り——最大の引っかけ。
💡 覚え方
「電気で持ち出した分だけ、熱が減る」——エネルギー保存そのものです。発熱するのは負荷側——太陽電池は冷えると覚えてください。
出題履歴：太陽電池は繰り返し問われる
太陽電池の原理を問う出題は、理論でも電力でも登場します。「pn接合1個」「電子と正孔の対」「電界で分離」——この3語で説明できるようにしておきましょう。
この分野はほぼ毎年どこかで出題されます。手を動かして解ける状態にしておけば、本番で確実に得点できます。
あわせて解いておきたい記事：【理論】平成20年度A問題11（太陽電池のキャリヤの動き）
まとめ
| (ア) | ダイオード |
| (イ) | 正孔 |
| (ウ) | 低くなる |
| 答え | (1) |
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