[셀,모듈] 태양광 모듈 전기 생산 원리는? 태양전지 셀 광전효과

태양광 모듈 전기 생산 원리는? 태양전지 셀 광전효과 

안녕하세요. 태양광 윤대리입니다.

오늘은 태양광 셀이 어떻게 전기를 생산해 내는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

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목차

1. 태양광 모듈,셀 구성 요소

    1) 태양광 모듈 구성요소

    2) 태양전지 구성요소

 

2. 태양전지 셀, 전기 생산원리

    1) 에너지 준위

    2) 도핑 (불순물 반도체)

    3) p-n junction

    4) 광전효과

 

 

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1. 태양광 모듈,셀 구성요소

 

1) 태양광 모듈 구성요소

출처 : 티스토리 블로그 최현규

 ① 프레임

모듈 가장자리에 씌여진 알류미늄입니다. 모듈 보호 및 방열기능을 가지고 있습니다.

모듈간 접지작업 및 실드로 고정시킬 때, 프레임 부위에서 작업합니다.

② 유리

일반 유리가 아닌, 특수저철분 강화유리입니다. 빛 투과율을 향상시키며, 외부 충격에도 강합니다.

③ 밀봉재

EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 성분이며, 충격이완제 역할을 합니다. 

④ 태양전지(Cell)

si로 구성된 p-n접합 반도체 입니다.

⑤ 백시트

태양전지를 통과한 빛이 백시트를 통해 재반사하여, 최대한 빛을 태양전지에 흡수시킵니다.

뿐만 아니라, 충격 이완효과, 방열효과도 있습니다.

⑥ 정션박스

음영이나 핫스팟, 모듈일부에 파손이 발생했을 경우, 파손부위를 제외시키면서 발전량 손실을 최소화시키는 역할을 합니다. 

└알아보기) 태양광 모듈 정션박스 원리는? Click!

[셀,모듈] 바이패스 다이오드 원리 , 태양광 모듈 정션박스는 뭘까?

 

2) 태양전지의 구성요소

태양전지는 어떤 원소로 이루어져 있을까요? 바로 규소(Silicon) 입니다.

순수 반도체는 14족으로 구성할 수 있는데, 대개 Si(실리콘 : 규소)를 사용합니다.

왜냐하면 실리콘은 자원이 풍부하여 가격이 저렴하고, 불순물을 주입하기에도 용이합니다.

어떤 불순물을 첨가하냐에 따라서, 또 얼마큼의 불순물을 첨가하냐에 따라서 전기전도도는 달라집니다.

우리는 반도체의 용도에 맞게 전기전도도를 설정합니다.

└알아보기) 태양전지 셀에 대하여 Click!

[셀,모듈] 태양전지 셀에 대해서

 

 

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2. 태양전지 셀, 전기 생산원리

1) 에너지 준위

2) 도핑 (불순물 반도체)

3) p-n junction

4) 광전효과

 

 

1) 에너지 준위

반도체에 대한 기본원리 중, '에너지 준위'에 대해서 설명하고 넘어가겠습니다.

모든 전자는 에너지 준위를 가지고 있습니다. 에너지 준위란 무엇일까요?

원자와 분자가 갖는 에너지 값을 의미합니다.

그 준위는 같은 원소들이라 할지라도 모두 각각 다른 값을 띕니다. 그래서 층이 생기게 되죠.

이것이 바로 '파울리의 배타원리'입니다. 우리는 이해를 쉽게 하기 위해서, 준위를 '에너지 층'이라고 합시다. 

고체는 원자들이 다닥다닥 붙어 있기 때문에, 에너지 준위를 표현해보면 아래와 같은 그림으로 표현할 수 있습니다.

 

앞서 같은 원자라 할지라도, 준위는 모두 다르다 했습니다. 금속 특성상 같은 원소들이 삼삼오오 뭉쳐있을 것입니다.

따라서, 준위를 나타내는 '에너지 층'도 무수히 많은 선이 빽빽하게 모여져 있을 것입니다.

여러 '에너지 층'들이 모여 하나의 '띠'로 표현한 것이 바로 '에너지 밴드' 입니다.

 

▽ 아래그림을 보겠습니다. x축은 원자의 개수, y축은 에너지의 크기입니다.

원자의 개수가 많아질수록 '에너지 층'는 촘촘해집니다. 에너지 띠들이 모여 '에너지 띠'를 형성합니다.

아래 그림에서 허용된 띠를 '에너지 띠' 라고 부릅니다.

에너지 띠 중에서 가장 아래에 있는 띠를 '가전자대(원자가 띠)' 라고 합니다.

금지된 띠를 '금지띠(금지대)'라고 부릅니다.

출처 : 네이버 블로그 돌담소리

위 그림에 대한 용어 설명이 필요합니다.

① 에너지 띠 : 에너지 밴드와 동일한 의미입니다. 에너지 층들이 모여 에너지 띠를 구성한 것입니다.

② 원자가 띠(가전자대 : Valance band) : 에너지 띠 중에서 가장 안정된 상태입니다.

③ 전도 띠(전도대 : Conduction band) : 에너지 띠 중에서 에너지갭 이상의 에너지를 받은 원자가 금지띠 넘어있는 에너지 띠에 도달하게 됩니다. 

에너지를 가지고 있기 때문에 불안정한 상태입니다.

④ 금지 띠 : 원자가 띠와 전도 띠 사이 준위가 존재하지 않는 구간입니다.

⑤ 에너지 갭 : 원자가 띠에서 전도 띠로 넘어갈 때 필요한 에너지입니다.

 

에너지 밴드 특징으로, 원자가띠에 전하들이 훨씬 많이 분포하고 있습니다.

일정량 이상의 에너지가 주입되면 전하는 양공과 전자로 분리되고, 전자는 전도대로 뛰어오르게 됩니다.

튀어오르는 전자가 바로 '자유전자'가 되는 것이죠.

일반적인 순수한 반도체는 원자가띠와 전도띠사이의 거리가 멀기 때문에 도체보다 부도체에 가까운 성질을 가집니다.

그래서 우린 순수반도체 그대로 사용하는 것이 아니라, 전기전도성을 높여 작은 에너지에도 전기를 통하게 하기 위해

불순물을 주입하는 도핑 과정을 거칩니다.

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2) 도핑

▽ 아래 그림과 함께 설명드리겠습니다.

순수한 반도체는 부도체와 유사한 밴드갭을 지니고 있습니다. 높은 밴드갭 때문에 쉽게 전자가 이동하지 못합니다.

우리는 실리콘과 같은 14족 원소에 불순물을 인위적으로 주입시켜 Carrier를 생성하여, 밴드갭을 낮춥니다.

출처 : 티스토리 블로그 ielohimson

 

다음, 불순물 반도체에 대해서 알아보겠습니다.

불순물 반도체에는 불순물에 따라 n형 반도체 p형 반도체로 구분됩니다.

 

① n형 반도체

15족의 원소를 불순물로 주입합니다. 최외각 전자가 5개이므로 실리콘과 결합할 경우, 하나의 '자유전자'가 발생합니다.

여기서 이 자유전자가 전하나르개(Carrier)로 작용합니다.

 

▽ 생성된 자유전자는 전도대 바로 아래 위치하여 작은 에너지에도 쉽게 전도대로 진입하게 됩니다.

쉽게 불순물반도체를 '전도대외곽에 자유전자가 많은 반도체' 라고하면 좋을 것 같네요. 더 어렵나..

출처 : 티스토리 블로그 ielohimson

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② p형 반도체

13족의 원소들은 최외각 전자가 3개이다. 따라서 실리콘과 결합할 경우, 하나의 정공(양공)이 발생하게 됩니다.

여기서 이 정공이 전하나르개(Carrier)로 작용합니다.

 

▽ 쉽게 표현하면, '가전자대 외곽에 정공이 많이 존재하는 반도체' 라고 하면 될 것 같아요.

출처 : 티스토리 블로그 ielohimson

 

다시, 지금부터는 복잡하게 생각할 것 없이,

n형 반도체는 자유전자를 품고있는 반도체, p형 반도체는 양공을 품고있는 반도체라고 생각하면 되겠습니다.

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3) p-n junction

그렇다면, P-N junction이라고 불리우는데, 왜 p형 반도체와 n형 반도체가 접합되어야 하는 것일까요?

정답부터 말하자면, 전기를 더 쉽게 흐르게 하기 위함입니다.

 

그림과 함께 쉽게 알아보도록 할게요!

▽ 순수한 반도체입니다.

 

 

▽ 여기에 불순물 P(인)을 넣어서 자유전자를 만들어낸 뒤, 불이 들어오는지 확인해 보겠습니다.

불이 들어올까요?

 

정답은 들어오지 않는다. 입니다.

왜냐하면 극성이 없기 때문이죠.

전기는 항상 +에서 -로 움직입니다.

그러나 위 사진에는 하나의 반도체일 뿐, '극' 이라는 것이 없습니다.

그래서 우린 p형반도체와 n형반도체를 결합하여 극성을 만드는 것입니다.

 

극성을 어떻게 만드는 건가요?

▽ 아래 사진으로 설명드리겠습니다.

 

출처 : 네이버 블로그  mirim920

① 정공을 다량 보유한 'P형 반도체'와 자유전자를 다량 보유한 'N형 반도체'가 서로 만납니다.

② 접하는 순간, 정공과 전자가 막 뒤석기다가 2번 그림처럼, 정공과 전자가 만나게 됩니다.

(완전 결합이 아닌, 극성을 공유하는 정도로 가까이 붙습니다.)

③ 극성을 공유했기 때문에 더이상 해당 공간에는 극성을 띄지 않습니다. 밀고 당길 힘이 없는 공간입니다.

그 공간을 우리는 '공핍층' 이라고 부릅니다.

 

▽ 아래는 제가 이해하기 위해서 예전에 끄적여봤던건데.. 같이 올립니다..ㅎㅎ

 

 

4) 광전효과

이제 태양전지에서 가장 중요한, '광전효과'입니다.

아래 그림에서 태양빛을 비추면 어떻게 될까요?

p형에는 n형의 자유전자(-)가 결합되므로 공핍영역에서 (-)를 띄는 것이다.

 

▽ 아래 그림처럼, 광전효과에 의해 붙어있던 자유전자와 양공이 '태양빛' 이라는 에너지를 받아 서로 분리가 됩니다.

즉, 공핍영역이 사라지게 되는 것이죠.

계속 태양빛이 쬐어준다면, P형반도체는 (+), N형반도체는 (-)의 극을 상시 띄고 있을 것 입니다.

 

극성을 유지한 상태에서, 양 극을 부하에 연결하면 어떻게 될까요?

 

N형 반도체에 다량의 자유전자가 이동하여 P형 반도체의 정공을 채우게 됩니다.

결합한 자유전자와 양공은 광전효과에 의해서 다시 분리되어, 자유전자는 부하를 한바퀴 거쳐 다시 정공과 합치게 됩니다.

이것을 무한 반복하여 전기를 생산해 내는 것입니다.

▽ 동시에 +와 -가 만나 극성이 없어진 전하는 다시금 접합부에 위치하게 되고,

빛에 의한 광전효과로 전자와 정공이 분리, 전자의 이동이 반복되는 것입니다.​

 

 

▽ 아래 그림처럼, 실제 태양전지를 확인해보면, n층은 p층에 비해 상대적으로 얇고 고농도로 도핑이 되어 있습니다.

출처 : 물화생지 카페 회원 中 카이퍼

 

이유는

1. 얇은 상단층으로 인해 많은 빛 에너지가 공핍영역까지 다다를 수 있습니다.

그래야만 공핍영역에서 광전효과를 많이 볼 수 있기 때문입니다.

2. 더 넓은 공핍영역을 생성할 수 있습니다.

 

 

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이상으로 블로깅을 마치겠습니다.

글 읽어주셔서 감사합니다.

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