태양전지(Solar Cell) 과학 / 기술

[하루를 일년처럼..]

태양전지(Solar Cell) 과학 / 기술

2008/07/07 11:04

 http://blog.naver.com/sori5811/110032759036

□ 태양광전지의 역사

   - 1839년 프랑스 물리학자 Edmond Beczuerel

      ▷ 전해질에 담긴 전극 사이에서 재료들이 빛을 받을 때 작은 양의 전류가 흐르는 것을 발견

   - 1876 Heinrich Hertz

      ▷셀레늄과 같은 고체에서도 같은 현상이 발생됨을 관찰

   - 이런 현상을 광전효과(Photovoltaic Effect), 그 같은 재료를 태양전지(solar cells, PV cells)라 부름

   - 이 당시의 빛 전환 전류 효율은 1%∼2% 정도

   - 1940년대∼1950년대 본격적인 PV 시스템 상업화

   - 1941 적정한 효율을 내는 실리콘(Si) 태양전지가 연구

   - 1954 고순도 결정질 실리콘을 생산할 수 있는 Czochralski 방법이 개발

      ▷ Bell 연구소에서 4%의 효율을 내는 첫번째 결정질 실리콘 태양전지가 만듬

   - 1970년대 에너지 위기

      ▷ 미국 정부와 산업계에서는 효율이 높고 상업화 가능성이 큰 태양전지를 개발할 필요성이 크게 요구

      ▷ 이 후로 태양전지는 점점 더 대면적화 하게 되고 생산단가도 계속 낮아지는 발전 경로를 거침

   - 1980년대 새로운 재료의 태양전지, 즉 CdTe, CuInSe2 ,TiO2등이 탄생

□ 태양광전지의 원리

[태양전지의 단면]

▷ 일반적 구조(단결정 규소 태양전지, p-n 접합 구조)      - 실리콘(Si)에 5가 원소인 (인, 비소,안티몬)등을 첨가시킨         N 형 반도체      - 3가 원소(붕소,칼륨)등을 침투 시켜 만든 P 형 반도체  ▷ 태양전지에 빛을 받으면, 광기전력 효과에 의해 태양전지 내부에      전자와 전공이 발생되고 전자는 윗쪽 전극에 그리고 정공은 아래      쪽 전극에 형성되어 태양전지 외부에 도선을 연결하여 전기부하      를 걸면 전류가 +에서 -쪽으로 흐름

[p-n 접합의 비대칭성]

▷ 광전 에너지 변환을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야 하는      요건은 반도체 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재해야함      - n-type : 큰 전자밀도 (electron density)와 작은 정공밀도        (hole density) 를 가지고 있고      - p-type : 정반대  ▷ 열적 평형상태에서 p-type반도체와 n-type반도체의 접합으로      이루어진 다이오드에서는 캐 리어(carrier)의 농도 구배에 의한      확산으로 전하(charge) 의 불균형이 생기고 이 때문에 전기장      (electric field)이 형성되어 더 이상 carrier 의 확산이 일어나지      않게 된다  ▷ 이 다이오드에 그 물질의 전도대 (conduction band) 와 가전자      대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band      gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛 에너지를 받아서      전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 된다  ▷ 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동 할 수 있게 되며, 가전      자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을      excess carrier라고 하며 이excess carrier들은 전도대 또는 가      전자대 내에서 농도차이 에 의해서 확산하게 된다  ▷ p-type반도체에서 여기된 전자들과 n-type반도체에서 만들어진      정공을 각각의 minority carrier라고 부르며, 기존 접합전의 p-      type또는 n-type반도체내의 carrier(p-type의 정 공, n-type의 전      자) 는 이와 구분해 majority carrier라고 부른다  ▷ majority carrier들은 전기장으로 생긴energy barrier 때문에 흐름      의 방해를 받지만 p-type의 minority carrier인 전자는 n-type쪽      으로 각각 이동할 수 있다. Minority carrier의 확산에 의해 재료      내부의 charge neutrality가 깨짐으로써 전압차(potential drop)      가 생기고 이 때 p-n접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을      외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.

□ 태양광전지의 효율

▷ 효율을 나타내는 주요 변수      - open-circuit voltage(Voc)      - short-circuit current(Jsc)      -  fill factor(FF)  ▷ open-circuit voltage(Voc)      - 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서         빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다      - 얻을 수 있는 최대한의 Voc값은 p-type 반도체와 n-type 반         도체 사이의 일함수 값(work function) 의 차이로 주어지며,         이 값은 반도체의 밴드갭에 의해 결정되므로 밴드갭이 큰 재         료를 사용하면 대체로 높은 Voc값이 얻어진다  ▷ Short-circuit current(Jsc)      - 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았        을 때 나타나는 역방향(음의 값) 의 전류밀도이다.      - 이 값은 우선적으로 입사광의 세기와 파장분포(spectral        distribution)에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태        에서는 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합        (recombination) 하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지        내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존된다.      - 이 때 재결합에 의한 손실은 재료의 내부에서나 계면에서 일        어날 수 있다. 또한 Jsc를 크게 하기 위해선 태양전지 표면에        서의 태양 빛의 반사를 최대한으로 감소 시켜야 한다. 이를 위        해 Antireflection coating을 해주거나 metal contact을 만들때        태양 빛을 가리는 면적을 최소화 해주어야 한다. 가능한 모든        파장의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드갭 에너지가 작을        수록 유리하지만 그렇게 되면 Voc도 감소하게 되므로 적정한        밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대크기의 Voc와        Jsc값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는        1.4eV가 된다  ▷ Fill factor(FF)     - 최대전력점에서의 전류 밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을        Voc와Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가        해진 상태에서 J-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가        를 나타내는 지표이다. 태양전지의 효율 η은 전지에 의해 생산        된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.

□ 태양열 전지의 전기적 특성

▷ 조사된 태양광의 강도를 일사강도라 함      - 지표면에는 최대로 약 1 kw/㎡ 의 에너지가 조사되며, 태양전        지의 용량은 태양전지 표면온도가 25℃, 일사강도가 1 kw/㎡        인 조건일 때의 용량을 표시해 준다  ▷ 태양전지 1개에 대해서 출력 특성을 살펴 보면 그림과 같이 일      사강도에 비례해서 출력이 변하게 된다      - 정오 부근의 일사강도가 가장 강할 때 최대출력(용량)으로 발        전이되며 날이 흐리거나 구름이 낄 경우에는 출력이 감소 하        는 특성을 가진다  ▷ 국내에서 제작 또는 조립되어 판매되는 단결정규소 태양전지는      10㎝, 10㎝ 정사각형 이며, 두께는 0.45㎜ 정도로 한 장당 약      1.5W용량으로 개당 0,5volt의 출력전압을 갖는다.      - 이 태양전지 한 장으로도 소형 모타와 같은 전기제품을 사용  ▷ 태양전지는 직렬로 연결하면 전압이 비례적으로 증가되고 병렬      로 연결하면 전류가 증가 된다.      - 전력용에 쓰이는 태양전지판을 53W일 경우는 태양전지를 36        개 연결하여 윗부분은 빛이 잘 투과하게 하기 위하여 유리로        구성하고 강도를 주기 위하여 강화유리로 조립된다.

※ 참조 : (주)이스퀘어텍(http://www.e2-tek.com/kor/kor_main.asp)

[출처] 태양전지(Solar Cell)|작성자 허프로

[호연지]

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[조포002]

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[더선]

좋은 정보 감사합니다.

[raywanna]

어렵지만 감사합니다.

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