태양 전지는 프랑스의 물리학 자 Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891)이 발견 한 광전지 효과로 알려진 현상에 의존합니다. 광전 효과와 관련이 있는데, 빛이 빛을 발할 때 전도성 물질에서 전자가 방출되는 현상입니다. 알버트 아인슈타인 (1879-1955)은 당시 새로운 양자 원리를 사용하여 그 현상에 대한 설명으로 1921 년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 광전 효과와 달리 광전지 효과는 단일 전도 판이 아닌 두 개의 반도체 판의 경계에서 발생합니다. 빛이 비춰질 때 실제로 전자는 방출되지 않습니다. 대신 경계를 따라 축적되어 전압을 생성합니다. 두 개의 판을 도선으로 연결하면 전선에 전류가 흐릅니다.
아인슈타인의 위대한 업적과 그가 노벨상을 수상한 이유는 전자의 에너지가 광전 판은 파동 이론이 예측 한 것처럼 빛의 강도 (진폭)가 아니라 주파수에 의존합니다. 파장. 입사광의 파장이 짧을수록 빛의 주파수가 높아지고 방출되는 전자가 더 많은 에너지를 소유하게됩니다. 같은 방식으로 광전지는 파장에 민감하며 스펙트럼의 일부 부분에서 다른 부분보다 햇빛에 더 잘 반응합니다. 그 이유를 이해하려면 광전 효과에 대한 아인슈타인의 설명을 검토하는 것이 좋습니다.
태양 에너지 파장이 전자 에너지에 미치는 영향
광전 효과에 대한 아인슈타인의 설명은 빛의 양자 모델을 확립하는 데 도움이되었습니다. 광자라고 불리는 각 빛 묶음은 진동 주파수에 의해 결정되는 특성 에너지를 가지고 있습니다. 광자의 에너지 (E)는 플랑크의 법칙에 의해 주어집니다: E = hf, 여기서 f는 주파수이고 h는 플랑크 상수 (6.626 × 10−34 줄 ∙ 초). 광자는 입자 특성을 가지고 있음에도 불구하고 파동 특성도 가지고 있으며 모든 파동에 대해 주파수는 파장 (여기서는 w로 표시됨)의 역수입니다. 빛의 속도가 c이면 f = c / w이고 플랑크의 법칙은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
E = \ frac {hc} {w}
광자가 전도성 물질에 입사하면 개별 원자의 전자와 충돌합니다. 광자가 충분한 에너지를 가지고 있으면 가장 바깥 쪽 껍질의 전자를 녹아웃시킵니다. 이 전자들은 물질을 통해 자유롭게 순환합니다. 입사 광자의 에너지에 따라 물질에서 모두 방출 될 수 있습니다.
플랑크의 법칙에 따르면 입사 광자의 에너지는 파장에 반비례합니다. 단파장 방사선은 스펙트럼의 보라색 끝을 차지하고 자외선 및 감마선을 포함합니다. 반면에 장파장 방사는 적색 끝을 차지하고 적외선 방사, 마이크로파 및 전파를 포함합니다.
햇빛에는 전체 스펙트럼의 복사가 포함되어 있지만 파장이 충분히 짧은 빛만 광전 또는 광전지 효과를 생성합니다. 이것은 태양 스펙트럼의 일부가 전기를 생성하는 데 유용하다는 것을 의미합니다. 빛이 얼마나 밝거나 희미한지는 중요하지 않습니다. 최소한 태양 전지 파장 만 있으면됩니다. 고 에너지 자외선은 구름을 투과 할 수 있습니다. 이는 태양 전지가 흐린 날에도 작동해야 함을 의미합니다.
일 함수와 밴드 갭
광자는 전자를 궤도에서 떨어 뜨리고 자유롭게 움직일 수 있도록 전자를 자극 할 수있는 최소 에너지 값을 가져야합니다. 전도성 물질에서이 최소 에너지를 일 함수라고하며 모든 전도성 물질마다 다릅니다. 광자와의 충돌에 의해 방출되는 전자의 운동 에너지는 광자의 에너지에서 일 함수를 뺀 것과 같습니다.
광전지에서 두 개의 서로 다른 반도체 물질이 융합되어 물리학 자들이 PN 접합이라고 부르는 것을 만듭니다. 실제로 실리콘과 같은 단일 재료를 사용하고이 접합부를 만들기 위해 다른 화학 물질로 도핑하는 것이 일반적입니다. 예를 들어 실리콘을 안티몬으로 도핑하면 N 형 반도체가 생성되고 붕소로 도핑하면 P 형 반도체가 생성됩니다. 궤도에서 떨어진 전자는 PN 접합 근처에 모여 전압을 증가시킵니다. 전자가 궤도를 벗어나 전도대로 들어가는 임계 에너지를 밴드 갭이라고합니다. 일 함수와 비슷합니다.
최소 및 최대 파장
태양 전지의 PN 접합을 가로 지르는 전압이 발생합니다. 입사 방사선은 밴드 갭 에너지를 초과해야합니다. 이것은 재료에 따라 다릅니다. 실리콘의 경우 1.11 전자 볼트로 태양 전지에 가장 많이 사용되는 재료입니다. 1 전자 볼트 = 1.6 × 10-19 줄이므로 밴드 갭 에너지는 1.78 × 10입니다.-19 줄. Plank의 방정식을 재정렬하고 파장을 구하면이 에너지에 해당하는 빛의 파장을 알 수 있습니다.
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ text {나노 미터} = 1.11 \ times 10 ^ {-6} \ text {미터}
가시광 선의 파장은 400 ~ 700nm 사이에서 발생하므로 실리콘 태양 전지의 대역폭 파장은 매우 근적외선 범위에 있습니다. 마이크로파 및 전파와 같이 파장이 더 긴 모든 방사선은 태양 전지에서 전기를 생산할 수있는 에너지가 부족합니다.
에너지가 1.11 eV보다 큰 광자는 실리콘 원자에서 전자를 제거하여 전도대로 보낼 수 있습니다. 그러나 실제로는 매우 짧은 파장의 광자 (약 3eV 이상의 에너지)가 전도대에서 전자를 깨끗하게 보내고 작업을 수행 할 수 없게 만듭니다. 태양 전지판의 광전 효과에서 유용한 작업을 얻기위한 상위 파장 임계 값은 태양 전지의 구조, 구성 및 회로에 사용되는 재료 형질.
태양 에너지 파장 및 전지 효율
간단히 말해, PV 셀은 파장이 셀에 사용되는 재료의 밴드 갭을 초과하는 한 전체 스펙트럼의 빛에 민감하지만 극히 짧은 파장의 빛은 낭비됩니다. 이것은 태양 전지 효율에 영향을 미치는 요소 중 하나입니다. 다른 하나는 반도체 재료의 두께입니다. 광자가 물질을 통해 먼 길을 이동해야하는 경우 다른 입자와의 충돌로 에너지를 잃고 전자를 제거 할 수있는 에너지가 충분하지 않을 수 있습니다.
효율성에 영향을 미치는 세 번째 요소는 태양 전지의 반사율입니다. 입사광의 특정 부분은 전자를 만나지 않고 세포 표면에서 반사됩니다. 반사율로 인한 손실을 줄이고 효율성을 높이기 위해 태양 전지 제조업체는 일반적으로 비 반사, 빛을 흡수하는 재료로 전지를 코팅합니다. 이것이 태양 전지가 일반적으로 검은 색인 이유입니다.