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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 태양 전지의 작동 원리. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
우리 중 많은 사람들이 그것을 모르고 있지만 햇빛으로부터 전기를 생성하는 방법은 100년 이상 동안 알려져 왔습니다. 광전 현상은 1839년 Edmond Becquerel에 의해 처음 관찰되었습니다. 전기에 대한 그의 많은 실험 중 하나에서 그는 전도성 용액에 두 개의 금속판을 놓고 햇빛으로 설치물을 비췄습니다. 놀랍게도 그는 이 과정에서 기전력(EMF)이 생성된다는 사실을 발견했습니다. 이 우연한 발견은 Willoughby Smith가 셀레늄 판에 빛을 조사했을 때 유사한 효과를 발견한 1873년까지 눈에 띄지 않았습니다. 그의 첫 번째 실험은 불완전했지만 반도체 태양전지 역사의 시작을 알렸다. 새로운 에너지원을 찾기 위해 Bell Labs는 실리콘 태양 전지를 발명했으며, 이는 오늘날 광전지 변환기의 전신이 되었습니다. 50대 초반에만. 태양 전지는 상대적으로 높은 완성도에 도달했습니다. 반도체 이론의 기초 실리콘은 현대 전자 제품의 주요 반도체 재료입니다. 대부분의 최신 태양 전지는 실리콘으로도 만들어집니다. 반도체는 좋은 전도체도 좋은 절연체도 아닌 물질입니다. 예를 들어 구리는 우수한 전도체이며 그 범위가 매우 넓습니다. 한 장소에서 다른 장소로 전기 에너지를 전송하는 데 필요한 모든 곳에서 구리는 없어서는 안 될 조력자입니다. 알루미늄에 대해서도 마찬가지입니다. 반면에 유리는 무시할 수 있는 전기 전도성을 갖지만 우수한 유전체입니다. 전류의 경로를 차단해야 하는 경우 유리 절연체가 이 문제를 성공적으로 해결할 것입니다. 그런데 최초의 전화기에 사용된 폴 피스의 절연체는 유리로 만들어졌습니다.
반도체의 전기 전도성은 이 두 가지 제한적인 경우 사이에 있습니다. 일부 애플리케이션에서는 반도체가 도체 역할을 할 수 있고 다른 애플리케이션에서는 절연체 역할을 할 수 있습니다. 그러나 순수한 실리콘은 여전히 절연체에 더 가깝고 전기 전도율이 매우 낮습니다. 그 이유는 결정 구조의 특이성 때문입니다. 실리콘 원자는 소위 원자가 전자의 도움으로 서로 연결됩니다. 이러한 연결을 "손"으로 생각하는 것이 가장 좋습니다. 각 실리콘 원자에는 XNUMX개의 팔이 있습니다. 실리콘 원자는 매우 "사교적"이며 외로움을 좋아하지 않습니다. 따라서 그들은 자신을 둘러싼 원자와 "손"을 잡으려고 합니다. 각각의 원자는 네 개의 "손"을 가지고 있고 이웃의 "손"을 취하기 때문에 함께 그림 1에 표시된 격자를 형성합니다. XNUMX. 결과적으로 원자의 네 개의 "팔"이 모두 점유됩니다. 결과적으로 이러한 구조에는 자유 전자("손")가 없으며 자유 전자가 없으면 전류가 거의 불가능합니다. 전자 제품의 요구 사항에 대해 이러한 상태는 용납할 수 없습니다. 전류가 흐르려면 결정에 자유 전자가 있어야 합니다. 이것은 원래 물질에 불순물을 도입함으로써 달성됩니다. 이 과정을 도핑이라고 합니다. 반도체 도핑 결정 구조에서 하나의 규소 원자를 취하여 원자가가 XNUMX인 원자(즉, XNUMX개의 "팔"을 가짐)로 교체했다고 가정해 보겠습니다. 예를 들어, 이러한 원자는 붕소 원자입니다. "이웃"과 그들과 "손"을 잡으면, 이 원자는 곧 그것의 한 "손"이 자유롭다는 것을 발견할 것입니다. 억셉터로서 실리콘 결정 양전하(정공)에 들어갈 수 있도록 XNUMX가를 특징으로 하는 붕소 원자가 사용됩니다. - 약. 에드.)
이 관련 없는 "손"은 자유 전자에 지나지 않습니다. 붕소 원자는 XNUMX개의 "팔" 중 XNUMX개(전자가 점유됨)에 어느 정도 만족하기 때문에 다섯 번째의 운명에 대해 특별히 걱정하지 않습니다. 약간의 섭동에서도 전자는 "분리"됩니다. 이것이 도핑의 본질입니다. 결정에 도입하는 불순물이 많을수록 더 많은 자유 전자가 결정에 있고 실리콘이 전류를 더 잘 전도합니다. 도핑 중에는 반대 과정도 발생할 수 있습니다. 실리콘 원자가 인과 같은 XNUMX가 원자로 대체되면 소위 정공이 우리 구조에 나타납니다. 결과적으로 결정에 전자가 부족하여 격자로 쉽게 받아들입니다. 이러한 구조에서 원자가 전자를 포획하려고 하기 때문에 결과로 생성된 정공은 전자가 부족한 구조를 통해 이동합니다. 실제로 전자는 정공에서 정공으로 이동하여 전기를 전도합니다. 태양전지 제조 이제 여러분은 전자가 부족한 도핑된 실리콘 결정과 과도한 전자가 있는 도핑된 결정을 함께 사용하면 어떤 일이 일어나야 한다고 생각할 수 있습니다.
두 결정 사이의 긴밀한 기계적 접촉으로 인해 표면 근처 영역의 원자가 서로 접근하여 인 원자가 여분의 전자를 쉽게 제공하고 붕소 원자가 이를 쉽게 받아들입니다. 결과적으로 결정의 전기적 평형이 회복됩니다. 그러나 결정은 매우 단단한 구조를 가지고 있으므로 교환은 서로 가장 가깝게 접촉하는 원자 사이에서만 발생합니다. 이 접점 영역의 두께는 여러 원자의 크기를 초과하지 않으며 반도체의 부피는 변하지 않습니다. 물론 이 효과를 얻으려면 두 개의 실리콘 조각을 함께 결합하는 것 이상이 필요합니다. 실리콘은 고온 확산 공정을 사용하여 가장 일반적으로 도핑됩니다. 그 결과, 서로 다른 불순물이 도핑된 반도체 깊이 영역의 경계에 pn접합이라 불리는 초박막 경계면 영역이 형성된다. 빛이 전기로 변환되는 곳이 바로 이 영역입니다. 광자라고 하는 빛의 입자가 충분한 에너지로 pn 접합에 충돌하면 전자를 녹아웃시켜 자유롭게, 즉 움직일 수 있게 만듭니다. 그런 다음 광자의 에너지가 전자로 전달됩니다. 이 경우 결정 격자에 구멍이 생깁니다. 전이 영역은 평형을 유지하는 경향이 있다는 점을 염두에 두어야 합니다. 광 이온화라고하는이 과정은 pn 접합 영역뿐만 아니라 햇빛이 침투하는 결정의 다른 부분에서도 발생하며 전자와 정공과 같은 자유 전하 캐리어를 생성하는 데 필요한 충분히 큰 에너지를 가지고 있습니다. n형 물질에는 정공이 부족하고 p형 물질에는 전자가 부족하기 때문에 정공과 전자가 분리되어 서로 다른 방향으로 이동한다. 그러나 이제 균형이 깨졌습니다. 광자의 에너지를 받은 전자는 정반대(정공)와 재연결을 시도하고 여기에 에너지를 소비할 준비가 되어 있습니다. 불행히도 pn 접합은 전자가 극복할 수 없는 전위 장벽입니다. 그러나 p 형 및 n 형 도체가있는 영역을 도체로 연결하면이 장애물을 성공적으로 극복하고 전자가 "백도어"를 통해 구멍으로 "통과"합니다. 이 경우 전자는 우리가 사용하는 방식을 따라 에너지를 소비합니다. 태양전지 특성 pn 접합은 전자의 이동에 엄청난 장애물입니다. 그러나 저항 할 수 없다고 할 수는 없습니다. 전자가 광자로부터 받는 에너지는 일반적으로 이 장벽을 극복하고 정공과 연결하기에 충분하지 않지만 항상 그런 것은 아닙니다.
pn 접합의 전위 장벽 높이는 약 600mV(0,6V)입니다. 600mV 이상의 에너지를 가진 전자는 이 벽을 "올라가" 흡수될 수 있습니다. 따라서 태양전지가 발전할 수 있는 최대 전압은 600mV이다. 그러나 실제 값은 반도체 재료의 유형과 태양 전지의 설계에 따라 다릅니다.
부하를 태양 전지에 연결하면 더 강력한 전자를 포함하여 일부 전자의 에너지가 감소합니다. 그 결과 태양전지의 전체 전압과 pn-접합 장벽을 극복할 수 있는 전자의 수가 감소한다. 부하 저항이 증가함에 따라 점점 더 많은 수의 전자가 이를 통해 "펌프 아웃"되고 전압은 훨씬 더 감소합니다. 그런데 어느 순간 이상한 일이 벌어집니다. 450mV(0,45V)에서 전압이 계속 감소하더라도 전류(전자 플럭스)는 증가를 멈춥니다. 현재의 "고원"에 도달했습니다. 이 현상은 pn 접합에 입사하는 한정된 수의 광자 때문입니다. 더 많은 광자가 pn 접합에 도달할수록 더 많은 전자가 방출되는 것으로 알려져 있습니다. 더 많은 광자 - 더 많은 전류. 그러나 문자 그대로 pn 접합에 들어간 모든 광자가 사용되고 자유 전자의 수가 따라서 전류가 더 이상 증가하지 않는 때가 옵니다. 이것은 태양 전지의 특성상 "고원"의 출현에 해당합니다. 물론 자유 전자의 수는 표면적과 빛의 강도에 따라 달라집니다. 분명히 셀 면적이 증가함에 따라 더 많은 광자가 포획되고 전류가 증가합니다. 마찬가지로 빛의 강도가 증가하면 주어진 영역의 광자 농도가 증가하여 전류도 증가합니다. 태양전지 효율 일반적으로 지구 표면에 도달하는 태양광의 평균 강도는 100mW/cm2로 간주됩니다. 즉, 10x10cm2 태양 전지는 이론적으로 10와트의 전력을 생성해야 합니다. 불행하게도 어떤 태양 전지도 그러한 전력을 생성할 수 없고 생성하지도 않을 것입니다. 항상 손실이 있을 것입니다. 지금까지 달성한 최고 효율(효율 계수)은 약 30%입니다. 기존 실리콘 태양전지의 효율은 10~13% 정도이다. 면적이 100cm2인 요소는 약 1와트의 전력을 생성할 수 있습니다. 물론 태양전지의 효율은 여러 요인에 따라 달라지는데 그 중 주변 온도의 변화가 가장 중요하다. 온도가 증가함에 따라 결정 격자가 여기되고 원자가 더 강하게 진동합니다. 이것은 차례로 구조 내부의 전자의 에너지 준위를 증가시킵니다. 시간이 지남에 따라 전자의 에너지 준위가 너무 높아져 대부분이 pn 접합의 전위 장벽을 극복할 수 있게 되면 반도체에서 재결합이 급격히 증가합니다. 이로 인해 그리드 컬렉터에 도달하는 전자 수가 감소하고 부하의 전류가 감소합니다. 반면에 낮은 온도는 광전 효과의 실질적인 향상에 기여합니다. 온도가 증가함에 따라 태양 전지의 효율이 감소하는 주된 이유는 pn 접합의 전위 장벽 값이 감소하여 전지에서 생성되는 전압이 떨어지기 때문입니다. 저자: 바이어스 T.
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