LEDは発電する！エネルギー変換教材

この記事は，理科教育 Advent Calender 2021の22日目の記事です。
私が専門とする研究内容は「教育評価・学習評価」なのですが，今回は教材のことを記事にしてみようと思います。何か科学的に間違いがあった場合，教えて頂けるとうれしいです…（すぐに修正します）。
それでは，発光ダイオード（LED）を用いた教材の話にお付き合いください。
理科や科学を専門とする方には当たり前なことかもしれませんが，実は電球などで使われているLEDは発電ができます。
いつものように電気を流せば発光します。（なかなかしてみようとは思わないですが）逆に光をあてると発電します。
LEDは光を電気に変えます！

LEDはどうして発電するの？

うまく説明できる自信がないので，ざっくりと。
原理としては太陽電池と一緒です。
まずは，発光する仕組みを説明します。下の図です。
LEDはpn接合をもつ半導体素子でできています（もう難しい…）。
電気を流すとn型半導体の中の電子がp型半導体に移動します（図でいうと右から左へ移動）。その時に，エネルギーの高い伝導帯からエネルギーの低い価電子帯に落ちるため，エネルギーギャップ相当の光エネルギーが放出されます。これが発光の仕組みです。
この可逆反応として，pn接合に光をあてると，光エネルギーが電子を価電子帯から伝導帯へたたき上げるので，電子はn型に正孔はp型に引き寄せられ，電位差が生じて発電されます。

LEDで教材開発！

LEDは電気を流すと発光して（電気を光に変換して），光があたると発電する（光を電気に変換する）ように，光と電気の間でのエネルギー相互変換ができます。これを利用して，開発した教材の写真です。

使用した材料です。左から，LED（赤色）２つ，コンデンサー（220μF，16V），抵抗（２kΩ，1/6W），ビニルチューブ，トアロンチューブ，アルミニウムテープ，OHPシートです。全部で70円程度です。

内部構造図です。

回路図です。スイッチを開いた状態でLEDに光をあててコンデンサーに電気を蓄えます。スイッチを閉じるとコンデンサーに蓄えた電気でLEDが点灯します。２つのLEDで充電をして，１つのLEDで放電をします。１つの教材で光と電気の間の相互変換ができます。

使い方です。シンプルです。
①LEDに光をあてて，充電をします。

②スイッチを押して，放電をします。

LEDを点灯させるために必要な電圧（約２V）をコンデンサーに充電するための時間ですが，光源が赤色LEDだと40秒程度，白熱電球（100V-90W）だと３分程度，太陽光だと１分程度，蛍光灯では７～８分，プロジェクターの光では５秒程度です。（※使用するLEDの種類にもよります。今回はOSHR5111Aという型番のLEDを使用しています。）
何度も光→電気，電気→光のエネルギー相互変換を体験することができます。また，児童・生徒にとって容易に製作が可能です。自分で教材を製作→体験ができるため，教材がブラックボックス化せず，「エネルギーは変換できるんだな！」ということを実感できると思います。（コンデンサーは小学校第６学年の理科で扱われていますので，それ以降の児童・生徒の使用を想定しています。）

教材の発展的な活用を考える！

あるLEDにそのLEDの発光する色と同じ色の光，またはその光より短い波長の光をあてると，光をあてられたLEDは発電します（自分よりもエネルギーの高い光があたると発電するということです）。
この性質を用いて教材を使用すると，光の色（波長）と光がもつエネルギーの関係を調べる実験ができます。
下の表は，発電側のLEDと光源側のLEDの組合せで，発電可能か不可かを整理したものです。

○は発電可能，×は発電不可です。
赤色LEDは，赤，緑，青，紫外線の光をあてられたときに発電します。赤色よりも波長の長い（エネルギーが大きい）光だと発電ができます。
一方，青色LEDは，緑，赤の光をあてても発電しません。同じ波長の青の光をあてるか，青よりも波長の長い紫外線をあてないと発電ができません。
教材に用いるLEDの色や光源で用いるLEDの色を変えることによって，光の色（波長）と光のもつエネルギーの関係を考えさせることができます。光は赤よりも緑や青，紫外線の方がエネルギーは高いんだなと実感ができます。（なるほど，紫外線で日焼けするもんな・・・みたいに）

おわりに

ここまでの内容は
渡辺理文・鎌田正裕（2011）「光と電気の間でのエネルギー変換を実感させるための教材」『物理教育』第59巻，第１号，9-13.
の内容の紹介になっています。
この論文は，私が初めて書いた査読論文です。当時まだ私は学生で，掲載が決まったときに飛び上がって喜びました。
10年前の論文ですので，10th Anniversaryということで紹介させてもらいました。