2. 태양전지의 기본원리

태양전지?

 

지난 포스팅에서 태양광 발전에 대해 이야기 하였다.

태양광 발전은 시스템을 말하며 시스템은 크게 태양전지 모듈, 시스템 제어 장치, 전력 변환장치로 이루어져 있다.

일부 시스템에서는 전력을 저장하는 장치를 포함하기도 한다.(독립형)

(모듈을 수~수십개 연결하면 어래이(Array)라고 부른다)

 

 

 

 

 

 

 태양전지 모듈이란 태양전지가 수십장 (주로 4장~60장)모여 구성되는 판이다.

이 중 빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지가 핵심 장치가 된다.

각각의 태양전지로 부터 생성된 전기는 모듈로 구성된 판에서 모여 전력 조절장치를 통해 외부로 전기를 공급한다.

 

 

태양전지 모듈

(사진 출처 : http://www.jyotitechsolar.in/solar-module.html)

 

 

 

 

태양전지는 빛을 받았을 때 전기가 생성되는 반도체 소자들을 말한다.

보통 우리가 알고 있는 어두운 푸른색의 타일판은 실리콘을 주 재료로 하는 태양전지이고

가장 많이 상용화되어 있는 분야이다.

 

더 많은 종류가 많은 연구소에서 연구하고 있지만 이에 대한 이야기는 후에 다루도록 하겠다

아래는 연구 되고 있는 다양한 태양전지 분야이다

(물론 이 외에도 많은 태양전지가 있고 두가지 이상을 같이 만드는 Tandem 구조도 있지만 여기서는 다루지 않겠다)

 

 

 

본론인 태양전지 'Photovoltaic'로 돌아가서 포스팅을 해볼까 한다.

빛을 받으면 전기가 생성되는 원리에 대해 우리 눈에 보이지 않는 영역을 들여다 보면 아래와 같다.

 

빛은 태양전지를 투과 하기도 하고 반사되기도 태양전지에 열 흡수 되기도 한다.

특정 빛은 전자와 정공을 생성하는데 이렇게 생성된 전자와 정공이 양 전극으로 이동하면 전기가 발생한다.

 

 

 

 

그럼 어떤 빛이 전자와 정공을 만들게 되는 걸까?

우선 물질은 분자로 이루어져 있고 분자 들은 각각 전자들을 가지고 있다.

전자가 분리되어 자유롭게 돌아다니게 되거나 혹은 일정한 방향성을 가지고 흐르게 되면 전기(전류)가 되는데

기본적으로는 전자는 분자 안에 강한 힘으로 붙잡혀 있다.

 

img

 

하지만 일부 재료들은 빛을 받으면 그 에너지를 흡수하고 흡수한 에너지를 가지는 전자를 내놓기도 하는데

이렇게 생성된 전자가 어떠한 힘에 의해 분리된 곳으로 부터 이동하여 전극에 수집된다면 이 재료는 태양전지가 될 수 있다.

 

분리하려는 힘이 왜 필요하냐면, 힘에 의해 전자를 분리해 놓지 않는다면 그 전자는 다시 자기 자신이 있던 곳으로 돌아가려고 하고

그 에너지를 다시 내놓으려고 하기 때문이다.

이렇게 되면 태양전지로 사용할 수 없게 된다.

 

 

 

 

이러한 과정을 이해하려면 반도체에서의 P형 그리고N형 그리고 이 두가지가 만나는 PN접합을 이해해야 한다.

 가장 일반적인 반도체 제료인 실리콘(Si)을 예를 들어 설명하자면 

최 외각 전자를 4개를 가지는 실리콘(Si)이 주변 실리콘과 전자를 공유하여 마치 모든 원자가 8개의 최외각 전자를 가진 것처럼 보인다.

최외각 전자가 8개를 유지하려고 하는 것을 옥텟 규칙 이라고 하며 이때 원자는 가장 에너지가 안정적인 상태이다.

이렇게 두개의 원자가 전자를 공유하여 전자쌍을 만드는 결합을 공유결합이라고 한다.  

 

 

 

 

하지만 이와 같은 상태에서 일부 실리콘 원자가 붕소(B)나 인(P)로 대체될 경우 최외각 전자의 수가 1개가 모자라거나 남는 경우가 생긴다.

반도체 공정에서는 이러한 과정을 Doping 공정이라 한다.

전자가 1개 모자라는 경우 전자를 얻으려 하는 Positive 성질을 띄기 때문에 P형 반도체가 된다.

전자가 1개 남는 경우 전자를 내놓으려 하는 Negative 성질을 띄기 때문에 N형 반도체 된다.

 

 

 

 

이 두가지 종류의 반도체가 만나 접합(junction)을 이루게 되면

각기 다른 성질을 가지는 두 반도체는 전자를 주고 받게 된다.

P형 반도체에서는 전자를 받고 N형 반도체 에서는 전자를 주게 되는데 이러한 과정을 확산(Diffusion)이라고 한다.

성질이 전자를 얻거나 잃으면서 안정화 되려는 것이지 기존의 상태가 전기적으로 중성이기 때문에

이러한 확산은 전자를 주고 받을수록 전기적인 불균형을 야기하게 되고 내부에 전기장을 형성하게 된다.

옥텟 규칙에 의해 전자를 얻거나 잃으려는 힘 확산(Diffusion)과 전하가 쌓이면서 발생하는 전기장(Drift)이 균형을 이룰 때까지 이루어진다.

이렇게 형성된 전기장의 영역 힌색부분을 공핍층(Depletion region)이라고 한다.

 

 

 

지금까지 PN접합에 대해 알아보았고 고유의 반도체 성질로 인해 내부에 전기장이 형성된다는 것을 알아보았다.

다시 태양전지로 돌아가서 이 전기장이 중요한 이유는 바로 내부에서 생성되는 전자와 정공을 분리하는 힘이 이 전기장이기 때문이다.

빛을 받으면 에너지를 흡수하면서 전자와 정공이 분리 생성(Generation) 되는데 보통은 바로 다시 합쳐져 소멸(Recombination)되지만

전기장안에서 생성된 음전하를 띄는 전자와 양전하를 띄는 정공은 전기장에 의해 반대 방향으로의 힘을 받아 떨어지게 된다.

이렇게 분리된 전자와 정공은 각 전극에 도달하게 되며 우리가 전기로 사용할 수 있게 된다.

 

Generation이 잘 발생하면서 Recombination이 적게 발생하는것이 태양전지의 효율 상승에 도움이 된다.

 

 

 

 

출처 [참고문헌]

1. 신, 재생에너지공학 - 강형식외 4인, 태영문화사 (2012)

2. 네이버 지식백과

3. 한국에너지공단 신재생에너지센터 www.knrec.or.kr

4. Semiconductor device fundamentals - Robert F. Pierret, Addison Wesley Longman

5. 고효율 결정질 Si 태양전지 요소기술 - 김동환 외 2인, 북두