1. 태양전지의 원리 (feat. 태양광 vs 태양열), 광전효과와 광기전효과

Intro에서 태양 전지를 쓰는 이유와, 전망에 대해서 설명해 드렸습니다.

RE100, 탄소중립 2050을 예를 들어 설명해 드렸죠.

2022.10.04 - [전자공학/Solar cell] - Intro) 태양 전지에 대한 전망, 왜 '태양 전지'를 공부해야 하는가?(feat. 신재생 에너지)

 

Intro1에서는 태양 전지에 관련 TMI를 설명해 드렸습니다.

2022.10.04 - [전자공학/Solar cell] - Intro-1) 태양전지 TMI편 (feat. 넓고 얕은 지식)

 

이제부터 장난기 쏙 빼고 태양전지에 대해서 모든 것을 말씀드리겠습니다.

위 Intro1 글을 보시면, 태양전지는 태양열이 아닌 태양광을 사용한다는 사실을 알 수 있어요.

 

태양광 vs 태양열

태양광과 태양열의 차이점입니다.

1. 이용하는 에너지의 형태가 다릅니다.

태양광은 '빛', 태양열은 '열'이지요.

 

2. 이로 인해 전기를 만드는 방법 자체도 틀리게 됩니다.

태양광은, 태양광이 태양전지에 비치면 직류전기가 생성이 됩니다.(광전 효과) 이를 다시 인버터를 이용하여 교류로 전환시킨 후, 한전에 전기를 공급하는 형식입니다.

태양열은, 태양열을 이용하여 '물'을 데우고, 데워진 물이 수증기가 되면 수증기로 '터빈'을 돌려서(인버터가 필요 없겠죠? 교류로 바로 나오니까요.) 전기를 생산하는 방식이라고 생각하시면 됩니다.

실제로, 대부분의 태양열은 전기보다 온수 생산에 이용이 됩니다.

태양전지 동작 원리

이제 태양전지 동작 원리 및 구성에 대해서 설명을 해드리겠습니다. 

대략적인 태양전지 그림

태양전지는 '반도체'로 만들어집니다. 반도체는 pn 접합으로 되어있고요.

'태양광' 중 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 빛 입자가 반도체를 때립니다.

그럼 '광전 효과'에 의해 전자가 생기겠죠, 정확히 '전자-정공 쌍'이 형성됩니다. 

전자-정공 쌍이 pn 접합부 공핍영역에 형성된 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로, 정공은 p형 반도체로 모이게 됨에 따라 pn 간 기전력(광 기전력 효과)이 발생하게 됩니다. 이로써 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것입니다.

이해가 가시나요? 그림을 통해 영역을 분리하여 좀 더 이해를 돕게 만들어 드리겠습니다. 

영역 1, 영역 3

영역 1, 영역 3 같은 경우에는 '전기장'이 없습니다. 이 같은 경우는 '확산'이 지배적이지요. 

광전 효과로 인해 빛이 흡수되어 영역 1, 영역 3에서 전자-정공 쌍이 생성됩니다.

전기장은 없기 때문에, 전자와 정공은 사이좋게 산책을 하면서 돌아다닙니다. 풋풋하군요.

 

확산되어 돌아다니다가 공간 전하 영역으로 들어간 전자-정공 쌍은 전기장의 억센 반대를 이겨내지 못하고 헤어집니다. (분리)

정공은 전기장 방향 p형으로 이동을 할 것이며, 전자는 전기장 반대 방향 n형으로 이동을 할 것입니다.

근데, 전계 세기가 엄청 셉니다! 따라서 정공은 곧바로 p형 전극, 전자는 곧바로 n형 전극으로 '수집'됩니다.

이에 따라 전기가 흐르게 되는 것입니다. (흡사 절대 만나지 말라고 유배를 보낸 것 같습니다.)

 

영역 2

영역 2에서 광전 효과로 인해 전자-정공 쌍이 생성된다고 생각해 봐요.

그럼 바로 분리되어 전극으로 이동합니다. 영역 1, 3은 그래도 조금 사귀었지만 이 경우에는 정말 심한 반대로 얄짤 없이 정도 못주고 헤어졌네요..

 

자, 정리해드리겠습니다.

태양 전지의 작동원리는 '흡수, 생성, 분리, 수집'입니다. 

흡 생 분 수 흡 생 분 수 흡 생 분 수 흡 생 분 수  흡 생 분 수 흡 생 분 수 흡 생 분 수 흡 생 분 수  흡 생 분 수 흡 생 분 수 

빛이 흡수, 광전효과로 인해 전자-정공 쌍 생성, 계면에서 전자-정공 쌍 분리, 전기장으로 인해 수집

 

 

Q. 왜 태양전지는 '반도체'를 활용할까요?

A. PN junction을 이용하여 전자 - 정공 쌍을 분리시키기 때문입니다.