태양전지: 작동 원리 및 구조 (도해 포함)
태양광 셀이란?
태양광 셀(또는 광전지 또는 PV 셀)은 광전효과를 통해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 장치로 정의됩니다. 태양광 셀은 기본적으로 p-n 접합 다이오드입니다. 태양광 셀은 빛에 노출되면 전류, 전압, 저항 등의 전기적 특성이 변하는 광전지의 형태입니다.
개별 태양광 셀을 결합하여 일반적으로 태양광 패널이라고 알려진 모듈을 형성할 수 있습니다. 일반적인 단일 접합 실리콘 태양광 셀은 약 0.5~0.6볼트의 최대 개방 회로 전압을 생성할 수 있습니다. 이 자체로는 많지 않지만, 이러한 태양광 셀은 매우 작습니다. 큰 태양광 패널로 결합하면 상당한 양의 재생 가능 에너지를 생성할 수 있습니다.
태양광 셀의 구조
태양광 셀은 기본적으로 접합 다이오드이지만, 그 구조는 일반적인 p-n 접합 다이오드와 약간 다릅니다. 비교적 두꺼운 n형 반도체 위에 매우 얇은 p형 반도체 층을 형성합니다. 그런 다음 p형 반도체 층 위에 몇 개의 미세 전극을 적용합니다.
이 전극들은 빛이 얇은 p형 층에 도달하는 것을 방해하지 않습니다. p형 층 바로 아래에는 p-n 접합이 있습니다. 또한 n형 층의 바닥에 전류 수집 전극을 제공합니다. 전체 조립물을 얇은 유리로 포장하여 태양광 셀을 기계 충격으로부터 보호합니다.
태양광 셀의 작동 원리
빛이 p-n 접합에 도달하면, 빛의 광자가 매우 얇은 p형 층을 통해 쉽게 접합에 들어갈 수 있습니다. 광자 형태의 빛 에너지는 접합에 충분한 에너지를 공급하여 많은 양의 전자-홀 쌍을 생성합니다. 입사 빛은 접합의 열 평형 상태를 깨뜨립니다. 고갈 영역의 자유 전자는 빠르게 접합의 n형 측으로 이동할 수 있습니다.
마찬가지로, 고갈 영역의 홀은 빠르게 접합의 p형 측으로 이동할 수 있습니다. 새로 생성된 자유 전자가 n형 측으로 이동하면, 접합의 장벽 전위 때문에 더 이상 접합을 건너갈 수 없습니다.
마찬가지로, 새로 생성된 홀이 p형 측으로 이동하면, 접합의 동일한 장벽 전위 때문에 더 이상 접합을 건너갈 수 없습니다. 전자의 농도가 한쪽(n형 측)에서 높아지고, 홀의 농도가 다른 쪽(p형 측)에서 높아지면, p-n 접합은 작은 배터리 셀처럼 작동합니다. 이를 광전압이라고 합니다. 접합에 작은 부하를 연결하면, 미세한 전류가 흐르게 됩니다.
광전지의 V-I 특성
태양광 셀에 사용되는 재료
이 목적을 위해 사용되는 재료는 대역 간격이 1.5ev에 가까워야 합니다. 일반적으로 사용되는 재료는 다음과 같습니다.
실리콘.
GaAs.
CdTe.
CuInSe2
태양광 셀에 사용되는 재료의 기준
대역 간격이 1ev에서 1.8ev 사이여야 합니다.
높은 광흡수율을 가져야 합니다.
높은 전기 전도성을 가져야 합니다.
원료가 풍부하고, 재료 비용이 낮아야 합니다.
태양광 셀의 장점
오염이 없습니다.
오랜 시간 동안 사용할 수 있어야 합니다.
유지 관리 비용이 없습니다.
태양광 셀의 단점
설치 비용이 높습니다.
효율이 낮습니다.
구름이 많은 날이나 밤에는 에너지를 생산할 수 없습니다.
태양광 발전 시스템의 용도
배터리를 충전하는 데 사용될 수 있습니다.
조도계에 사용됩니다.
계산기와 손목 시계에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.
우주선에서 전기 에너지를 공급하는 데 사용될 수 있습니다.
결론: 태양광 셀은 일부 단점이 있지만, 기술이 발전함에 따라 이러한 단점은 극복될 것으로 예상됩니다. 기술이 발전함에 따라 태양광 판넬 및 설치 비용이 감소하여 모든 사람이 시스템을 설치할 수 있을 것입니다. 또한 정부는 태양 에너지에 중점을 두고 있으므로, 몇 년 후에는 모든 가정과 전기 시스템이 태양 에너지나 재생 가능 에너지원으로 구동될 것으로 기대됩니다.
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