태양전지 또는 광전지의 작동 원리

빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 것은 광전효과라는 현상에 기반합니다. 반도체 물질이 빛에 노출되면 빛의 일부 광자가 반도체 결정에 흡수되어 결정 내에서 자유 전자의 수를 크게 증가시킵니다. 이것이 광전효과로 인한 전기 생산의 기본 원인입니다. 광전소자는 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 시스템의 기본 단위입니다. 실리콘은 광전소자를 구성하는 가장 널리 사용되는 반도체 물질입니다. 실리콘 원자는 4개의 외부 전자를 가지고 있습니다. 고체 결정에서는 각 실리콘 원자가 그 4개의 외부 전자를 근처의 다른 실리콘 원자와 공유하여 공유 결합을 형성합니다. 이렇게 하여 실리콘 결정은 사면체 격자 구조를 얻습니다. 빛이 어떤 물질에 부딪히면 빛의 일부는 반사되고, 일부는 물질을 통과하며 나머지는 물질에 흡수됩니다.

빛이 실리콘 결정에 비치는 경우에도 같은 일이 발생합니다. 입사 빛의 강도가 충분히 높다면 충분한 수의 광자가 결정에 흡수되며, 이 광자들은 차례로 공유 결합의 일부 전자를 흥분시킵니다. 이러한 흥분된 전자들은 밸런스 대역에서 전도 대역으로 이동할 만큼 충분한 에너지를 얻습니다. 이러한 전자들의 에너지 수준이 전도 대역에 있으면, 공유 결합에서 떠나고, 각 제거된 전자마다 결합에 구멍이 생깁니다. 이러한 자유 전자들은 실리콘 결정 구조 내에서 임의로 움직입니다. 이러한 자유 전자와 구멍은 광전소자에서 전기를 생성하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 전자와 구멍은 각각 빛에 의해 생성된 전자와 구멍이라고 불립니다. 이러한 빛에 의해 생성된 전자와 구멍만으로는 실리콘 결정에서 전기를 생성할 수 없습니다. 이를 위해 추가적인 메커니즘이 필요합니다.

실리콘에 오발렌트 불순물인 인을 첨가하면, 각 오발렌트 인 원자의 4개 외부 전자는 4개의 인접한 실리콘 원자와 공유 결합을 형성하고, 다섯 번째 외부 전자는 공유 결합을 형성할 기회가 없습니다.

이 다섯 번째 전자는 상대적으로 느슨하게 본래의 원자에 결합되어 있습니다. 실온에서도 결정 내에서 가용한 열 에너지는 이러한 상대적으로 느슨한 다섯 번째 전자를 본래의 인 원자로부터 분리시키기에 충분합니다. 이러한 다섯 번째 느슨한 전자가 본래의 인 원자로부터 분리되면, 인 원자는 이동하지 않는 양이온이 됩니다. 이러한 분리된 전자는 자유롭지만, 결정 내에서 다시 결합할 불완전한 공유 결합이나 구멍이 없으므로 자유로운 상태로 남아 전류를 전도할 준비가 됩니다. 이러한 자유 전자는 오발렌트 불순물로부터 옵니다. 자유 전자의 수가 많더라도, 양이온의 수와 자유 전자의 수가 정확히 일치하므로 물질은 전기적으로 중성입니다. 반도체에 불순물을 첨가는 과정을 도핑이라고 하며, 첨가되는 불순물을 도핑 물질이라고 합니다. 다섯 번째 자유 전자를 반도체 결정에 제공하는 오발렌트 도핑 물질은 기증자라고 합니다. 기증자 불순물로 도핑된 반도체는 음전하를 가진 자유 전자가 많은 n형 또는 음성형 반도체로 알려져 있습니다.

오발렌트 인 원자 대신 삼발렌트 불순물인 붕소를 반도체 결정에 첨가하면, 반대 유형의 반도체가 생성됩니다. 이 경우 결정 격자에서 일부 실리콘 원자가 붕소 원자로 교체되며, 즉, 붕소 원자들이 교체된 실리콘 원자의 위치를 차지합니다. 붕소 원자의 세 개 외부 전자는 세 개의 인접한 실리콘 원자와 완전한 공유 결합을 형성합니다. 이러한 구성을 통해, 각 붕소 원자당 실리콘 원자 하나가 있고, 이 실리콘 원자의 네 번째 외부 전자는 인접한 외부 전자를 찾지 못하여 네 번째 공유 결합을 완성하지 못합니다. 따라서 이러한 실리콘 원자의 네 번째 외부 전자는 짝이 맞지 않아 불완전한 결합으로 작용합니다. 따라서 불완전한 결합에는 전자가 부족하여, 항상 전자를 끌어들입니다. 따라서 전자가 앉을 수 있는 자리가 있습니다.

이러한 자리는 개념적으로 양구멍이라고 합니다. 삼발렌트 불순물로 도핑된 반도체에서는 많은 수의 공유 결합이 지속적으로 깨어지고, 다른 불완전한 공유 결합을 완성하기 위해 새로운 구멍이 생성됩니다. 한 결합이 깨어지면, 그 안에 한 구멍이 생성됩니다. 한 결합이 완성되면, 그 안의 구멍이 사라집니다. 이렇게 하면, 한 구멍이 사라지면서 다른 인접한 구멍이 나타납니다. 따라서 구멍은 반도체 결정 내에서 상대적으로 움직입니다. 이러한 관점에서 보면, 구멍도 반도체 결정 내에서 자유 전자처럼 자유롭게 움직일 수 있다고 말할 수 있습니다. 각 구멍이 전자를 수용할 수 있으므로, 삼발렌트 불순물은 수용자 도핑 물질이라고 알려져 있으며, 수용자 도핑 물질로 도핑된 반도체는 p형 또는 양성형 반도체로 알려져 있습니다.

n형 반도체에서는 주로 자유 전자가 음전하를 운반하고, p형 반도체에서는 주로 구멍이 양전하를 운반하므로, n형 반도체의 자유 전자와 p형 반도체의 자유 구멍은 각각 n형 반도체와 p형 반도체에서 다수 전하라고 합니다.

n형 물질과 p형 물질 사이에는 항상 전위 장벽이 존재합니다. 이 전위 장벽은 광전 소자 또는 태양전지의 작동에 필수적입니다. n형 반도체와 p형 반도체가 접촉하면, n형 반도체의 접촉 표면 근처의 자유 전자들이 p형 물질의 인접한 구멍들을 많이 찾습니다. 따라서 n형 반도체의 접촉 표면 근처의 자유 전자들은 p형 물질의 인접한 구멍으로 이동하여 재결합합니다. 자유 전자뿐만 아니라, n형 물질의 접촉 표면 근처의 발렌스 전자들도 공유 결합에서 벗어나 더 가까운 p형 반도체의 구멍들과 재결합합니다. 공유 결합이 깨지면, n형 물질의 접촉 표면 근처에 구멍이 생성됩니다. 따라서 접촉 영역 근처에서, p형 물질의 구멍은 재결합으로 인해 사라지고, n형 물질의 접촉 표면 근처에 구멍이 생성됩니다. 이것은 구멍이 p형 반도체에서 n형 반도체로 이동하는 것과 같습니다. 따라서 n형 반도체와 p형 반도체가 접촉하자마자, n형의 전자들은 p형으로 이동하고, p형의 구멍들은 n형으로 이동합니다. 이 과정은 매우 빠르지만 영원히 계속되지 않습니다. 잠시 후, p형 반도체의 접촉 표면 근처에 음전하 층 (과잉 전자)이 형성되고, n형 반도체의 접촉 표면 근처에 양전하 층 (양이온)이 형성됩니다. 이러한 음전하와 양전하 층의 두께는 어느 정도까지 증가하지만, 그 이후에는 더 이상 전자가 n형 반도체에서 p형 반도체로 이동하지 않습니다. 이는 n형 반도체의 전자가 p형 반도체로 이동하려고 할 때, 충분히 두꺼운 양이온 층을 만나서 이를 넘지 않고 떨어지기 때문입니다. 마찬가지로, 구멍도 더 이상 n형 반도체로 이동하지 않습니다. 구멍이 p형 반도체의 음전하 층을 넘으려고 할 때, 전자와 재결합하여 n형 영역으로 더 이상 이동하지 않습니다.

즉, p형 측의 음전하 층과 n형 측의 양전하 층은 서로 다른 측으로부터 전하 운반체의 이동을 방지하는 장벽을 형성합니다. 마찬가지로, p형 영역의 구멍은 n형 영역으로 들어가는 것을 막습니다. 양전하와 음전하 층으로 인해, 이 영역에는 전기장이 형성되며, 이 영역은 소진층이라고 합니다.

이제 실리콘 결정으로 돌아갑시다. 빛이 결정에 부딪히면, 빛의 일부가 결정에 흡수되고, 결과적으로 일부 발렌스 전자가 흥분되어 공유 결합에서 빠져나와 자유 전자-구멍 쌍을 형성합니다.

빛이 n형 반도체에 부딪히면, 빛에 의해 생성된 전자-구멍 쌍의 전자들은 소진층의 전기장에 의해 p형 영역으로 이동할 수 없습니다. 동시에, 빛에 의해 생성된 구멍들은 소진층의 전기장에 의해 p형 영역으로 이동하여 전자와 재결합합니다. 여기서 전자의 부족은 p형 영역의 발렌스 전자에 의해 보충되며, 이로 인해 p형 영역에 많은 수의 구멍이 생성됩니다. 따라서 빛에 의해 생성된 구멍은 p형 영역으로 이동하여 포착되며, 일단 p형 영역으로 이동하면, 전위 장벽의 반발력 때문에 n형 영역으로 돌아갈 수 없습니다.

음전하 (빛에 의해 생성된 전자)가 한쪽에 포착되고, 양전하 (빛에 의해 생성된 구멍)가 반대쪽에 포착되면, 셀의 두 측면 사이에 전위차가 발생합니다. 이 전위차는 일반적으로 0.5V입니다. 이것이 광전소자 또는 태양전지가 전위차를 생성하는 방법입니다.

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