Final) 태양전지 정리

이 글은 태양전지에 대해 얼마나 이해를 했는지 제 스스로 테스트하는 글입니다.
관련 글, 참고자료들을 보지 않고 쓰는 것이니 다소 부정확할 수 있습니다.
관련 내용들은 제가 '링크'를 달겠습니다. 뭔가 이해가 잘 안 되시면 꼭 클릭을 해주시기 바랍니다.

태양전지를 공부하는 이유

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

Intro) 태양 전지에 대한 전망, 왜 '태양 전지'를 공부해야 하는가?(feat. 신재생 에너지)

RE100, 탄소중립 2050 등 요즘 기업에서 '탄소'를 줄이기 위해 '신재생 에너지'를 갈망하고 있습니다.

기존 전기를 공급받는 방식은 다음과 같습니다.
1. 석유, 석탄을 태웁니다.
2. 태움으로써 얻어지는 '열 에너지'는 터빈을 통해 '운동 에너지'로 바꿉니다.
3. 운동 에너지는 발전기를 통해 전기 에너지로 바뀌게 되죠.

태움으로써 발생되는 탄소량이 어마무시하기 때문에 이를 대체하기 위해 신재생 에너지가 필요하게 되었습니다.

왜 많고 많은 신재생 에너지 중 태양 에너지인가?

태양전지의 장점은 다음과 같습니다.

1. 태양이 주는 에너지는 정말 어마무시하게 많습니다.
2. 무공해 자원입니다.
3. 어디서나 이용이 가능합니다.

물론 단점도 있습니다.
1. 태양 에너지의 밀도가 낮습니다. 전세계 어디에서나 태양은 있으니까요.
2. 흐리거나 비가 올 때 사용이 불가능합니다.

이러한 단점들은 '집열기술' 과 '저장 기술'이 발전됨에 따라 보완이 가능한 문제입니다.

태양 에너지의 종류

태양 에너지는 크게 두 가지로 나뉩니다. 태양열과 태양광입니다.
태양열은, 말 그대로 태양의 '열' 입니다. 대구에서 태양열로 인해 달궈진 아스팔트 위에 계란 프라이를 해 먹는 모습이 화제였습니다. 같은 원리입니다.
태양광은, 말 그대로 태양의 '광'입니다. 태양의 '빛'을 이용해서 에너지를 얻습니다.
태양전지는 이 두 가지 에너지 중, '태양광'을 이용합니다.

태양전지의 종류

태양전지는 반도체로 만들어지며, 크게 세 가지로 나뉩니다.
1. 결정형 태양전지
2. 박막형 태양전지
3. 유기 태양전지
분류에 따라 '효율'도 다르게 됩니다.

'각 효율을 정리한 표는 바로 아래 블로그에 있습니다'

2022.10.04 - [전자공학/Solar cell] - 2. 태양전지의 종류와 효율 (결정형, 박막형, 유기 태양전지)

2. 태양전지의 종류와 효율 (결정형, 박막형, 유기 태양전지)

이 부분의 내용은 윗 링크의 블로그를 참조하시면 되겠습니다.

태양전지의 원리

태양전지의 원리는 결정, 박막형 태양전지와 유기 태양전지에 따라 다릅니다.

결정형 태양전지, 박막형 태양전지의 원리

결정형 태양전지, 박막형 태양전지의 원리는 다음과 같습니다.
1. 흡수, 2. 생성, 3. 분리, 4. 수집 (2와 3 사이에 '확산'이 들어가도 됩니다. 공간전하영역에서 흡수되지 않으면 확산은 필수적이니까요.)
1. 태양광이 반도체에 흡수됩니다.
2. '광전 효과'로 인해 반도체 내부에 '전자- 정공쌍'이 형성되게 됩니다.
3. 전자-정공쌍은 공간전하영역의 전기장을 만나 전자는 n형, 정공은 p형으로 분리되게 됩니다.

(이를 광기전력 효과라고 합니다.)
4. 분리되는 힘이 너무 세기 때문에 각 전극으로 수집됩니다.
2022.10.04 - [전자공학/Solar cell] - 1. 태양전지의 원리 (feat. 태양광 vs 태양열)

1. 태양전지의 원리 (feat. 태양광 vs 태양열)

 

유기물 태양전지

2022.10.05 - [전자공학/Solar cell] - 3. 3세대 태양전지, 유기 태양전지의 원리 (feat. 페로브스카이트)

3. 3세대 태양전지, 유기 태양전지의 원리 (feat. 페로브스카이트)

유기물 태양전지의 원리는 다음과 같습니다.
1. 흡수, 2. 생성, 3. 확산, 4. 분리, 5. 수집
1. 태양광이 반도체에 흡수됩니다.
2. '광전 효과'로 인해 반도체 내부 '전자 주개' 물질에 '엑시톤(전자-정공 쌍)'이 형성되게 됩니다.
3. '전자 받개' 물질과 만날 때까지 확산됩니다.
4. '전자 받개' 물질과 만나면 엑시톤은 '주개'와 '받개'의 계면에서 분리가 됩니다.
5. 이후 각자 확산 후 전극으로 수집이 되게 됩니다.

유기물 태양전지는 현재 '페로브 스카이트'라는 신소재 태양전지가 HOT합니다.
유기물 태양전지의 장점은 공정이 매우 싸고 쉽다는 것입니다.
여기서, 효율까지 단결정 Si랑 비슷하다고 해요. 최근 25.2%의 연구실 태양전지 효율을 발표하였습니다.

효율이 왜 이리 안 좋아?

2022.10.05 - [전자공학/Solar cell] - 4. 태양전지 효율은 왜 낮을까?

4. 태양전지 효율은 왜 낮을까?

상용화된 태양전지는 현재 20% 언저리입니다. 이 효율 loss 원인을 정확하게 규명해야 합니다.

효율 loss 원인은 크게 Optical loss와 Electrical loss로 나뉩니다.

Optical loss

태양 전지에서 전자-정공 쌍 자체가 생겨나지 않는 loss를 말합니다.
이유는 정말 다양합니다.
1. 반도체의 에너지 밴드갭이 한정되어 있습니다.
반도체 에너지 밴드갭 > 빛의 에너지 : 빛이 반도체에 흡수를 아예 안 하고 투과.
반도체 에너지 밴드갭 < 빛의 에너지 : 빛이 반도체에 흡수는 가능하지만, 남은 에너지는 열로 방출되어 에너지 손실.
2. 전극으로 인해 반도체가 가려져서 빛이 못 들어오는 shadowing loss
3. 표면에서 재결합(passivation을 통해 방지 o)

Electrical loss

전자-정공 쌍이 생겨난 후 loss를 말합니다.
1. 재결합
전자- 정공 쌍이 재결합이 되어 없어집니다.
2. Fill Factor로 인한 loss
Diode 특성상 생기는 특성 저항으로 인해 loss가 생깁니다.
3. 계면 저항, 반도체 저항, 금속 저항으로 인해 생기는 loss

이 수많은 loss 성분들로 인해 Si 결정형 태양전지의 최대 효율은 이론상 30% 정도라고 합니다.