化学源編集
バッテリー（ガルバニックセル）がどのようにして起電力を発生させるかという問題は、19世紀のほとんどの科学者を悩ませました。
分子や固体中の原子は、化学結合によって一緒に保持され、分子や固体を安定させます（すなわち、そのエネルギーを減少させます）。 比較的高いエネルギーを持つ分子や固体を一緒にすると、自発的な化学反応が起こり、結合が再編成されてシステムの（自由）エネルギーが減少する。 電池では、多くの場合、金属とそのイオンが関与する結合半反応が並行して起こり、一方の導電性電極による電子の獲得（「還元」と呼ばれる）と、他方の導電性電極による電子の喪失（「酸化」と呼ばれる）が起こる（還元-酸化反応または酸化還元反応）。 自発的な全体反応は、電子が電極間の外部ワイヤを移動する場合にのみ起こる。
例として、ダニエル電池は、亜鉛の陽極（電子収集器）が硫酸亜鉛の溶液に溶けて酸化されたものです。
例えば、ダニエル電池は、亜鉛の陽極（電子コレクター）が硫酸亜鉛の水溶液に溶解して酸化され、溶解した亜鉛が電極に電子を残して酸化反応を起こす（sは固体電極、aqは水溶液）：
Z n ( s ) → Z n ( a q ) 2 + + 2 e – {\\\ {Zn_{(s)}rightarrow Zn_{(aq)}^{2+}+2e^{-}\ } }。 }
そのハーフセルの電解質となるのが硫酸亜鉛です。 硫酸亜鉛は、亜鉛陽イオンZ n 2 + {\\}^{2+}を含む溶液である。 _{}^{2+}}
、硫酸アニオン S O 4 2 – {\\} {SO}. _{4}^{2-}\ }
では、電荷がゼロになるようにバランスをとります。
もう一方のハーフセルでは、硫酸銅電解液中の銅陽イオンが銅電極から電子を奪う還元反応により、銅陰極に移動して付着します：
C u ( a q ) 2 + + 2 e – → C u ( s ) {\\\\ {Cu_{(aq)}^{2+}+2e^{-}rightarrow Cu_{(s)}\。 }
その結果、銅のカソードには電子が不足することになります。 陽極の過剰な電子と陰極の不足した電子の差によって、2つの電極の間に電位が発生します。 電極と電解質中のイオンとの間の電子移動の微視的なプロセスについては、Conwayに詳しい説明がある）。 この反応で放出される電気エネルギー(亜鉛65.4gあたり213kJ)は、結合に利用できる未充填の軌道を持つ銅に比べて、充填された3dおよび4s軌道を持つ亜鉛の結合力が207kJ弱い(凝集エネルギーの大きさが小さい)ことが主な原因と考えられます。
陰極と陽極が外部導体で接続されている場合、電子はその外部回路（図の電球）を通過し、イオンは塩橋を通過して、陽極と陰極がゼロボルトの電気的平衡に達するまで、細胞内の化学的平衡と同様に電荷のバランスを保ちます。 この過程で、亜鉛の陽極は溶解し、銅の電極は銅でメッキされる。 いわゆる「塩の橋」は、銅イオンが亜鉛電極に移動してそこで還元されるのを防ぎながら、外部電流を発生させずに電気回路を閉じなければならない。 ソルトブリッジは塩ではなく、陽イオンと陰イオンを溶液中に取り込むことができる素材（解離した塩）でできている。
電球を取り外すと（開回路）、電極間の起電力が、電荷分離による電界に対抗して、反応が停止します。
このセル化学の場合、298K（室温）での起電力はℰ＝1.0934V、温度係数はdℰ/dT＝-4.53×10-4V/Kとなります。 ボルタは、電圧を発生させるための異種電極の役割を正しく認識していましたが、電解液の役割を誤って否定していました。 ボルタは、金属を「張力系列」に並べた。「つまり、リストの中のどれか1つが、後続のどれか1つと接触すると正になり、前のどれか1つと接触すると負になるような順序である」。 この回路図の典型的な記号表記（-｜｜-）は、長い電極1と短い電極2で、電極1が優位であることを示しています。
Typical valuesEdit
一次電池（使い捨て）と二次電池（充電式）で発生する起電力は、通常、数ボルトのオーダーです。 負荷の大きさやセルの消耗状態によって起電力は変化するため、以下の数値は公称値です。
| EMF | Cell chemistry | Common name | ||
|---|---|---|---|---|
| Anode | Solvent, 電解液 | 陰極 | ||
| 1.2 V | カドミウム | 水、水酸化カリウム | NiO(OH) | ニッケル・カドミウム |
| 1.2 V | ミッシュメタル（水素吸蔵） | 水、水酸化カリウム | ニッケル | ニッケル金属水素化物 |
| 1.5V | 亜鉛 | 水、塩化アンモニウムまたは塩化亜鉛 | 炭素、二酸化マンガン | 炭素亜鉛 |
| 2.1 V | 鉛 | 水、硫酸 | 二酸化鉛 | 酸鉛 |
| 3.6 V～3.7 V | グラファイト | 有機溶媒、Li塩 | LiCoO2 | リチウムイオン |
| 1.35V | 亜鉛 | 水、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム | HgO | 水銀電池 |
電磁誘導
電磁誘導とは、時間依存の磁界によって循環する電界が生じることです。 時間依存の磁場は、回路に対する磁石の運動、他の回路に対する回路の運動（少なくとも1つは電流を流していなければならない）、または固定された回路の電流を変化させることによって生成されます。
ある回路について、電磁気的に誘導される起電力は、ファラデーの誘導の法則に従って、純粋に回路を通る磁束の変化率によって決定されます。
コイルや導体には、磁束のつながりに変化があるたびに起電力が発生します。 その変化の起こし方によって、2つのタイプがあります。 静止した磁界の中で導体を動かして磁束のつながりに変化を与える場合は、静電的に起電力が発生します。 運動によって発生する起電力は、運動起電力と呼ばれることが多い。 静止した導体の周りの磁界が変化することで磁束のつながりが変化する場合は、動的誘導起電力となります。
Contact potentialsEdit
2つの異なる材料の固体が接触している場合、熱力学的に平衡するには、一方の固体が他方よりも高い電位を持つことが必要です。 これを接触電位といいます。 異種金属を接触させると、接触起電力やガルバニ電位とも呼ばれる電位が発生する。 この電位差の大きさは、2つの固体が電荷中性のときのフェルミ準位の差として表されることが多い。フェルミ準位（電子系の化学ポテンシャルの名称）とは、電子をある共通点（アースなど）に移動させるのに必要なエネルギーのことである。 フェルミ準位（電子系の化学ポテンシャルの名称）とは、電子を本体からある共通点（アースなど）に移動させるために必要なエネルギーのことである。 この移動により、一方の体が電子を獲得し、もう一方の体が電子を失うという電荷分離が起こる。 この電荷の移動により、体の間に電位差が生じ、接触による電位の一部が相殺され、最終的に平衡状態になる。 接触前のフェルミ準位の差を「起電力」と呼ぶ。接触電位は電荷の移動を伴うため、端子に取り付けられた負荷に定常的な電流を流すことができない。
接触電位は、キルヒホッフの電圧の法則において、電位差の合計に寄与するものとして現れないのはなぜか、という疑問があるかもしれません。 一般的な答えは、回路には特定のダイオードやジャンクションだけでなく、回路全体の配線などによるすべての接触電位が含まれるからです。
Solar cellEdit
太陽電池の動作は、右の等価回路から理解できます。 十分なエネルギー(材料のバンドギャップより大きい)を持つ光は、半導体内に移動可能な電子-正孔ペアを生成します。 電荷分離が起こるのは、熱平衡状態にあるp-n接合に付随する既存の電界のためである。 この電界は、接合部の異なる2つの材料の接触電位から発生する内蔵電位から作られる）。 p-n接合（ダイオード）の正孔と負電子の間で電荷が分離すると、照明されたダイオードの端子間に順方向電圧（光電圧）が発生し、負荷に電流が流れる。 光電圧は、効果と原因を区別するために、光起電力と呼ばれることもあります。
外部回路に流れる電流は、内部損失I0=ISH + IDにより制限される：
I = I L – I 0 = I L – I S H – I D {\\ I=I_{L}-I_{0}=I_{L}-I_{SH}-I_{D}}。
損失により、外部回路に流れる電流が制限されることになる。 光によって誘起された電荷分離は、最終的にセルの接合部を介して、光が電流を駆動している方向とは逆方向の電流（順方向電流と呼ばれる）ISHを発生させる。 さらに、誘起された電圧は、接合部を順方向にバイアスする傾向がある。 十分に高いレベルでは、この接合部の順方向バイアスにより、ダイオードに光で誘起されたのとは逆の順方向電流IDが発生する。 その結果、短絡状態で最大の電流が得られ、等価回路ではIL（Light-Induced Current）と表記されます。また、ダイオードの導通が顕著になるまでの順方向電圧でも、ほぼ同じ電流が得られます。
点灯したダイオードから外部回路に流れる電流は、次のようになります。
I = I L – I 0 ( e q V / ( m k T ) – 1 ) , {\displaystyle I=I_{L}-I_{0}\left(e^{qV/(mkT)}-1right)⏺️。}
ここで、I0は逆方向の飽和電流です。 ここで、太陽電池の構造とある程度の電圧に依存する2つのパラメータは、アイディリティ係数のmと熱電圧のkT/qです（室温では約0.026V）。 この関係は、m=2という固定値で図に示しています。 開放状態（I=0）では、接合部の順方向バイアスが十分にかかり、順方向電流と光電流が完全に釣り合う電圧が開放電圧となる。 上記を電圧Vについて解き、それをI-V方程式の開回路電圧とすると、次のようになります。
V oc = m k T q ln ( I L I 0 + 1 ) , {˶ˆ꒳ˆ˵ ) V_{text{oc}}=m\\{kT}{q}} ˶ˆ꒳ˆ˵ ({˶ˆ꒳ˆ˵ ) {˶ˆ꒳ˆ˵}+1˶ˆ꒳ˆ˵ )
これは、Vocの光誘起電流に対する対数依存性を示すのに有用である。
負荷を駆動する場合、フォトボルテージは変動します。 図に示すように、負荷抵抗RLに対して、セルは短絡値V = 0, I = ILと開放値Voc, I = 0の間の電圧を発生させます。この値は、オームの法則V = I RLによって与えられる値であり、電流Iは、等価回路によって示されるように、短絡電流と接合の順方向バイアスによる電流との差です（寄生抵抗を無視します）。
バッテリーとは対照的に、外部回路に供給される電流レベルがILに近い場合、太陽電池は電圧発生器というよりも、むしろ電流発生器のように振る舞います（2つの図の曲線の垂直部分付近）。 量子効率（入射光1個につき光電流1個が得られる確率）は、太陽電池本体だけでなく、光のスペクトルにも依存します。