☆ 태양전지의 원리와 에너지 변환효율☆

 

▣ 광전효과

빛을 비추었을 때 광자가 흡수되어 금속의 원자 또는 분자에 속박되어 있는 전자를 전리시키는 현상.
- 금속에 빛을 비추었을 때 광자(光子)가 흡수되어 금속의 원자 또는 분자에 속박되어 있는 전자를 전리시키는 현상.
- 아인슈타인(Albert Einstein)이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상.

▣ 광전도(photoconduction)

- 절연체 · 반도체에 빛을 비출 때 전기전도도가 증가하는 현상. 내부 광전효과라고도 한다.
- 광흡수에 의해 전자가 원자가전자 또는 불순물 준위에서 여기되어 자유전자 또는 양공의 운반체가 생겨 전기 전도도가 증가하기  때문에 일어나는 현상이며,  입사되는 광에너지가  반도체의 에너지갭보다 작은 에너지가 입사하게 되면 아무런 반응을 일으키지 않고 투과하게 된다.
- 전압을 가하면 광전류가 흐른다.

▣ 광기전력 효과

- 광기전력 효과는 반도체에 빛을 쪼일 때 생기는 기전력이 생기는 현상이며, 기전력이란 전류를 회로에 흘려 보낼 수 있는 구동력을 말한다. 즉 반도체에 빛이 입사가 되면 광전효과와 광전도효과로 전류를 구성하는 전자와 정공이 발생하는데,  이를 흐르게 하는 힘이 기전력이며, 이는

- 반도체에 빛을 쬐어 광전도 현상이 일어난 상태에서 만일 빛에 의해 생성되는 캐리어에 장소의 불균일성 이 있을때.
- pn 접합 등과 같이 내부 전계가 존재할때.
- 확산 혹은 드리프트 효과에 의해 생성된 전자와 정공의 밀도분포에 불균형이 생겨 기전력이 발생한다.

 이와 같은 현상을 광기전력 효과(photo-voltaic effect)라고 한다.

▣ 태양전지의 원리와 에너지 변환효율

태양전지는 태양 방사광을 받기위한 이른바 넓은 면적을 가진 PN 접합 다이오드이고, 광기전력 효과를 일으키는데 필요한 PN접합의 계면 유기전계를 이용했다.

 그림에서도 알 수 있듯이 계면까지 빛이 통과할 정도로 얇은 n형 표면층과 이면에 p형 층을 둔 구성으로 되어 있다.
빛에 쬐어 생성된 전자-정공 쌍은 PN계면의 전계에 의해 전자는 상부 전극에, 정공은 하부 전극에 집합되고 두 전극간 에는 내재 전장에 맞는 광기전력이 발생한다.
빛은 얇은 표면의 N형 층을 통과하여 접합과 P형 층에 도달하여 전자 정공 쌍을 생성한다. 이것이 전류로 된다.

 

태양전지 단면

 

▣태양전지의 에너지 변환효율

태양전지의 에너지 변환효율(energy conversion efficiency)은 태양전지에 들어온 태양 에너지가 태양전지의 단자에서 나오는 전기 출력 에너지의 비율을 퍼센트로 나타낸 것을 말한다. 

$ 태양전지의\; 에너지\; 변환효율 \;\; \eta\; = \; { 생산된\; 전기\;에너지 \over 입사된\; 태양\;에너지}$

이것은 태양전지의 성능을 나타내는 '중요한 지수' 이다.
조건에 따라 측정된 효율이 달라지기 때문에 객관성을 확보가 필요하다.

국제전기규격표준화위원회 IEC TC-82(International Electrical Committee, Technical Committee-82)에서는 지상용 태양전지에 대해 "공칭효율"를 정의하고 있다.

공칭효율의 측정조건
 1. 태양방사의 공기질량 통과조건이 AM(Air Mass, 통과 공기질량)-1.5
 2. 1000W/m²  (=100 mW/cm²) 입력광 파워

 위 조건으로 측정했을 때 최대 전기출력과의 비율을 백분율로 나타낸 것을 공칭효율 (nominal efficiency)이라고 정의하고 있다.

그리고 이 측정조건으로 구한 효율이 태양전지의 카탈로그에 게재되기도 하고,연구개발단계에서 발표되고 있는 수치이다. 

공칭효율에 의해 구할 수 있는 실용상 태양전지의 성능지수
- 최대 출력점 전압 (Vmax) 
- 최대 출력점 전류 (Imax) 
- 개방전압 (Voc) 
- 단락광 전류밀도 (Isc)

 

▣ 이론한계효율

반도체 재료의 광흡수 스펙트럼에서 구한 Isc 를 이용하고 태양광과의 스펙트럼 정합이 그 재료의 광흡수 스펙트럼에만 제한된다고 생각했을 경우의 이론한계효율 이라고 한다.
태양전지용 재료의 광흡수 계수에 대한 포톤에너지 의존성에서는 광흡수 스펙트럼에서 계산한 AM-1.5, 100mW/cm^2의 입사광조건을 반영하면 이론한계효율이 계산된다.

실온상 각 종 태양전지 이론한계효율 :  28.5%
연구개발단계의 최적기록 : 24.7%
양산단계의 최고효율 : 20%

변환효율의 저해 요인

첫번 째:  태양 에너지 스펙트럼과  태양전지용 반도체 재료의 광흡수 스펙트럼과의 정합이 잘 맞는가.
두번 째:  태양전지의 스펙트럼 감도는 그 재료의 광 흡수 스펙트럼 밴드폭 등의 재료정수와 접합 깊이 등 구조

위 2가지에 의해 태양전지 효율이 결정된다.

1. 태양전지용 재료를 그대로 투과하여 광 개리어를 생성하지 않는 성분
2. 표면에서 반사 또는 산란되어 소실되는 에너지가 가장 큰 손실 요인이다. 

순서	LOSS	Loss 상세
①	반사 손실 (reflection loss)	스펙트럼 감도로 볼 때 유효한 빛이지만 표면 반사
②	표면 재결합 손실(surface recombination loss)	광흡수에 의해 생성된 캐리어 중에서 태양전지의 표면 혹은 배면(背面) 전극 과의 경계면에서 재결합으로 인해 소실되는
③	벌크 재결합 손실 (bulk recombination loss)	광합성 캐리어가 반도체 벌크에서 재결합하여 소실되는
④	줄열(Joule's heat)이 되는 직렬저항 손실(series resistance loss)	태양전지가 부하에 전력을 공급하여 전류가 흐를 때 전극 및 반도체 벌크 내의 전기저항
⑤	손실을 전압인자 손실(voltage factor loss)	광 생성된 캐리어가 반도체 내의 내재 전계에 의해 드리프트되고 그것이 분극 전장을 형성하여 출력전압이 되는데 그때 pn접합의 불순물 감도로 결정되는 확산전위 V를 넘는 해방 기전력을 낼 수 없다. 즉 최소 금지 밴드폭의 포톤 에너지를 가진 포톤 - QVe(gVie≤qVe)만의 손실이 나오는데, 이 이라고 한다.

위에서 분류한 ①~⑤의 손실을 얼마나 최소화 할 수 있는가?

이것이 태양전지의 고효율화 기술적 포인트이다.

 

출처도서 : 태양전지 하마카와요시히로 (주)기술정보