태양광조명의 역사와 원리

태양광전지의 역사

 

 

태양광전지의 원리

 

 

태양전지는 태양의 빛에너지를 광전효과를 이용하여 전기에너지로 변환 발생시키는 장치이다.

보통의 태양전지는 실리콘에 5가 원소(인, 비소, 안티몬 등)을 첨가시킨 N형 반도체와 3가 원소(붕소, 칼륨 등)를 확산 침투시켜 반든 P 형 반도체를 접합시킨 P-N접합 다이오드로 되어있다

 

에너지의 변환은 광전효과(photovoltaic effect)로 일어나게 되며 전류가 흐를 수 있도록 전자를 자유로이 하는데 최소의 에너지를 E. 빛의 진동수를 V. 프랑크상수를 h라 하면 hv-E이 광전자의 에너지이며, hv-E으로 정해지는 한계 진동수보다 진동수가 높은 빛의 흡수에 의하여 변환이 일어난다.

N형 반도체에서 큰 전자밀도와 작은 정공밀도를 가지고 있고 P형 반도체에는 반대로 되어있다. 이때 열적평형 상태에서 P형 반도체와 N형 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어의 농도 구배에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고 이 때문에 전기장이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않는다. 이 다이오드에 그 물질의 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지 이상의 빛을 가했을때 빛에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기된다. 이 때 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있으며 가전자대에는 전자들이 빠져 나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 exess carrier라고 하며 이들은 전도대 또는 가전지대 내에서 농도차이에 의해서 확산시키게 된다. 이 때 P형 반도체에서 여기된 전자들과 N형 반도체에서 만들어진 정공을 각각의 minority carrier라 부르며, 기존 접합전의 P형 또는 N형 반도체내의 캐리어는 이와 구분해 majority carrier라고 부른다. 이 majority carrier들은 전기장으로 생긴 energy barrier 때문에 흐름의 방해를 받지만 P형의 minority carrier인 전자도 N형 쪽으로 이동할 수 있다. minority carrier의 확산에 의해 재료 내부의 charge neutrality가 깨짐으로써 전압차가 생기고 이때 접합다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부회로에 연결하면 태양전지로 작동하게 된다.

흡수체와 방출된 전자상태에 의해서 광이온화, 외부, 내부 방전효과, 광기전력 효과 등으로 분류되며, 발전되는 전압, 전류는 태양전지의 크기, 효율, 빛의 강도에 의하여 결정된다.

 

태양광 전지의 효율

 

 

태양광전지의 시스템