태양광전지의 원리
태양광 전지는 빛에서 바로 전기를 생산한다. 광전효과를 이용해서 빛을 쪼이면, 반도체를 통해서 전류가 흐른면 전력이 생산된다.
광전효과
광전효과란, 광자(빛)이 특정한 물질과 부딪히면, 전자를 발생시키는 원리를 의미한다. 아이슈타인이 최종적으로 정립시켰다. 광전효과의 기본 공식은 다음과 같다.
1/2mv²=hf-w
m=전자의 질량(상수) , v=전자의 속도(전압), h=플랑크 상수, f=쬐여준 빛의 진동수, w=금속의 일함수(상수) -나무위키 참조-
일 함수란 금속 표면에 속박되어 있는 자유 전자를 방출시키는 데 필요한 최소한의 에너지이다. 전자는 핵의 인력이 있기 때문에, 쪼여준 빛의 진동수가 현재 자신의 속박하고 있는 중성자의 인력을 초과해야지만, 비로소 자유전자가 된다.
p-n 형 반도체
태양광 전지는 p-n형 반도체의 구조를 이룬다. P형 반도체와 N형 반도체는 반도체의 종류 중 하나이다.
- P형 반도체(Positive-type semiconductors): 규소(Si)에 갈륨(Ga)이나 인듐(In)과 같은 물질을 합성하여 정공(Hole)을 많이 있는 물질이다.
- N형 반도체(Negative-type semiconductors):규소(Si)에 안티몬(Sb)이나 비소(As)와 같은 물질을 합성하여 전자(electron)가 많은 물질이다.
정공(electron hole)이란, 원자(atom)에서 전자(electron)가 빠져나간 뒤, 구멍(hole)이다. 정공은 단순한 구멍이 아니라, ‘입자’의 성질을 지닌 준입자이고, 전기전도성을 지난다. 정공은 전자가 빠져나간 구멍이므로 + 전하를 가진다.
p,n 형 반도체 모두 전도율이 좋지만, 이 둘 사이의 접합면인 p-n 접합 부분은 그렇지 않다.P형 반도체의 운반자인 정공과, N형 반도체의 운반자인 전자가 서로 끌어당겨서 재결합하면서 없어지기 때문에 생긴다. 전기 전도가 되지 않는 접합부를 공핍영역(depletion zone)이라고 부른다. p-n접합 반도체에는 어떤 방향으로 전압을 가하냐에 따라 전혀 다른 전기적 현상이 일어난다.
- 정방향 전압(p형 에는 +, n형에는 -전압을 가했을 때): 정공(+)은 +전류에 반발이 생기고, - 쪽으로 이동한다. 전자(-)는 반대로 +극으로 이동한다. 이 경우에는 전류가 흐른다.
- 역방향 전압(p형 에는 -, n형에는+ 전압을 가했을 때): 정공(+)은 -전류에 끌려가 -극으로 이동하고, 전자(-) 반대쪽 +극으로 이동한다.
태양광 전지 발전원리
태양광 전지는 이 원리를 응용해서 제작한다. 태양 빛이 쪼이면, 광전효과가 발생하여서, 자유전자와 자유정공이 생긴다. 근데 여기서 전류가 앞서 말한 것 처럼 p→n으로 흐르는 것이 아니다. 저항이 p-n 접합보다 작은 외부회로를 따로 연결한다.
자연스럽게 전자(-)는 저항이 작은 외부회로를 이용한다. 전자는 n형 반도체 쪽으로 흐른다. 전류는 이와 반대로 흐른다. 이런식으로 에너지가 생산된다.
