태양전지

태양전지 기초
지구의 에너지 매장량은 한정되어 있으나, 세계적 에너지 소비는 날로 증가하고 있으므로, 적극적으로 에너지를 보존하지 않거나 태양전지와 같은 재생 가능 에너지 자원을 개발하지 않는 것은 무모한 일

화석 연료 매장물의 고갈 및 연 3% 성장을 가정한 전 세계 에너지 소비의 최근 역사와 전망 . ([3] 에서 발췌 . ⓒ 1992 IEEE.)

 

광기전성 전지(photovoltaic cell)라고도 하는 태양전지(solar cell)는 통상적으로 실리콘으로 만든 경우, 15~30%의 에너지 효율을 갖고 태양광을 전기로 변환
태양전지 패널은 전기를 생성시키기 위해 흔히 지붕 위나 훤히 트인 광장에 설치. 태양전지의 구조는 PN접합 다이오드와 동일하지만 빛이 반도체에 잘 부딪칠 수 있도록 손가락 모양의 전극 혹은 투명한 전극을 가짐.
 빛이 없을 때 다이오드 전압은 다음 식의 전류를 생성함

 빛은 또한 전압이 없이, 즉 두 다이오드 단자를 단락시켜 V = 0으로 한 경우에 다이오드 전류를 생산할 수 있는 가동력이 됨
PN 접합에 빛을 비출 때, 빛에 의해 접합으로부터 확산 거리(정도) 이내에 생성된 소수 캐리어들이 접합으로 확산하고, 내부 전계에 의해 접합을 가로질러 각각 양쪽으로 쓸려 나감으로써, P 단자 밖으로 흘러나가 외부 단락 회로를 통과하여 다시 N 단자로 들어가는 전류를 발생시킴 
  : 단락 회로 전류(short-circuit current), Isc. 

 

 

 

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•단락 회로 전류 Isc는 빛의 세기와 전지 면적에 비례

•총 다이오드(태양전지) 전류 = (전압에 의해 생성된 전류)+(빛에 의해 생성된 전류)

•

•음의 부호는 Isc의 방향이 “가해준 전압이 생성한 전류의 방향”과 반대 의미

•실리콘 태양전지는 약 0.6V를 생성  

 

(a) V ＝ 0 일 때 빛이 PN 접합에서 전류를 생성할 수 있다 . (b) 태양전지 IV 곱은 음수이고 , 이는 전력을 생성한다는 것을 의미한다 . ([4] 에 따름 )

 

에너지 변환 효율(energy conversion efficiency)은 태양 에너지 입력에 대한 전기 에너지 출력의 비율
IV 곡선 상에 출력 전력 |I×V|를 최대화하는 특정 동작점이 존재 
낮은 가격과 높은 에너지 변환 효율이 중요
비정질 혹은 다결정 반도체는 단결정 반도체와 비교할 때, 제조 비용은 저렴하지만 변환 효율은 낮음
 각 제곱미터 크기의 태양전지는 낮과 밤, 그리고 맑은 날/흐린 날에 걸쳐 평균적으로 약 25W의 연속 전력을 생산