광전효과는 무엇인가요

특정 반도체 재료에서 빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 효과는 광전효과라고 합니다. 이는 중간 과정 없이 빛 에너지를 직접 전기에너지로 변환합니다. 광전효과를 보여주기 위해 실리콘 결정 덩어리를 가정해보겠습니다.
이 덩어리의 상부는 공여형 불순물을 도핑하고 하부는 수용형 불순물을 도핑하였습니다. 따라서 n-형 영역에서는 p-형 영역보다 자유 전자의 농도가 높고, p-형 영역에서는 n-형 영역보다 구멍의 농도가 높습니다. 결정 덩어리의 접합선을 따라 전하 운반체의 농도 경사가 생깁니다. n-형 영역의 자유 전자는 확산에 의해 p-형 영역으로 이동하려고 하고, p-형 영역의 구멍은 n-형 영역으로 이동하려고 합니다. 이는 전하 운반체가 본질적으로 농도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 확산하는 경향이 있기 때문입니다. n-형 영역의 각각의 자유 전자가 확산에 의해 p-형 영역으로 이동할 때마다, n-형 영역에는 양성자 기증자가 남게 됩니다.

이는 n-형 영역의 각각의 자유 전자가 중성 기증 원자로부터 기여받았기 때문입니다. 마찬가지로, p-형 영역의 구멍이 n-형 영역으로 확산될 때, p-형 영역에는 음성자 수용자가 남게 됩니다.

이는 각각의 구멍이 p-형 영역의 수용 원자로부터 기여받았기 때문입니다. 이러한 두 가지 이온, 즉 기증 이온과 수용 이온은 결정 구조 내에서 고정되어 있으며 이동하지 않습니다. 말할 필요도 없이, n-형 영역에서 p-형 영역에 가장 가까운 자유 전자들이 먼저 p-형 영역으로 확산되며, 그 결과 n-형 영역의 접합부 근처에 양성자 기증 이온 층이 형성됩니다.

마찬가지로, p-형 영역에서 n-형 영역에 가장 가까운 자유 구멍들이 먼저 n-형 영역으로 확산되며, 그 결과 p-형 영역의 접합부 근처에 음성자 수용 이온 층이 형성됩니다. 이러한 양성자와 음성자 이온 층은 접합부를 가로지르는 전기장을 생성하며, 이는 양성자에서 음성자 방향으로, 즉 n-형 영역에서 p-형 영역 방향으로 지향됩니다. 이제 이 전기장의 존재로 인해 결정 내의 전하 운반체들은 이 전기장의 방향에 따라 이동력을 경험하게 됩니다. 양전하가 항상 전기장의 방향으로 이동한다는 것을 알고 있으므로, n-형 영역의 양전하 구멍(있는 경우)은 이제 접합부의 p-측으로 이동합니다.

반면에, p-형 영역의 음전하 전자(있는 경우)는 전기장의 방향과 반대 방향으로 n-형 영역으로 이동합니다. p-n 접합부를 가로지르는 전하 운반체의 확산과 이동은 계속됩니다. 전하 운반체의 확산은 접합부를 가로지르는 잠재 장벽의 두께를 생성하고 증가시키며, 전하 운반체의 이동은 장벽의 두께를 감소시킵니다. 일반적인 열평형 상태에서 외부 힘이 없는 경우, 전하 운반체의 확산은 전하 운반체의 이동과 같고 반대 방향이므로, 잠재 장벽의 두께는 고정됩니다.

이제 실리콘 결정 덩어리의 n-형 표면이 태양광에 노출됩니다. 일부 광자가 실리콘 덩어리에 흡수됩니다. 일부 흡수된 광자는 실리콘 원자의 밸런스 전자의 밸런스 대 전도 대 사이의 에너지 간극보다 큰 에너지를 갖습니다. 따라서, 일부 밸런스 전자는 공유 결합에서 뛰어나와 결합에 구멍을 남깁니다. 이렇게 하여 입사한 빛으로 인해 결정 내에서 전자-구멍 쌍이 생성됩니다. n-형 영역에서 이러한 빛으로 생성된 전자-구멍 쌍의 구멍은 많은 전자(다수 운반체)와 재결합할 가능성이 충분히 있습니다. 따라서, 태양전지는 빛으로 생성된 전자 또는 구멍이 다수 운반체와 재결합할 기회가 적도록 설계되었습니다.

반도체(실리콘)는 p-n 접합부가 셀의 노출된 표면 근처에 매우 가깝게 형성되도록 도핑됩니다. 만약 접합부에서 소수 운반체의 확산 길이 내에서 전자-구멍 쌍이 생성되면, 전자-구멍 쌍의 전자는 n-형 영역으로 이동하고, 구멍은 접합부의 전기장의 영향으로 p-형 영역으로 이동합니다. 따라서 평균적으로 이것은 외부 회로에서 전류 흐름에 기여하게 됩니다.

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