태양전지 제조과정 작동방식 광전효과

태양 전지는 태양광을 사용하여 전기를 생산하는 반도체 장치입니다. 컴퓨터 메모리 칩과 유사한 방식으로 제조 및 처리됩니다. 태양 전지는 주로 태양 광선에서 방출되는 광자를 흡수하는 실리콘으로 구성됩니다. 오늘은 이러한 태양 전지의 제조 과정과 작동방식, 그리고 태양전지의 광전효과에 대해서 알아보도록 합니다.

 

태양전지 제조과정

태양전지를 제조하는 과정은 크게 다음과 같은 단계로 이루어지게 되는데 먼저 실리콘 원료를 제조하는 단계로 시작됩니다. 실리콘 원료는 광물인 굴착석과 광석 등에서 추출됩니다. 이후, 화학반응을 통해 실리콘 단결정을 만들어냅니다. 그런 다음, 실리콘 원료 정제 과정을 거치게 되는데 만들어진 실리콘 단결정을 고온으로 가열하여 정제합니다. 이어서, 정제된 실리콘 원료를 웨이퍼 형태로 만들어냅니다. 이후 P-N 접합 형성 과정을 거치게 되는데 실리콘 웨이퍼의 일부를 화학적으로 처리하여, P형과 N형으로 구분된 층을 형성합니다. 그다음, P-N 접합된 실리콘 웨이퍼의 양단에 금속 전극을 부착합니다. 전극 부착 부분을 제외한 실리콘 웨이퍼의 앞면을 처리하여, 빛을 잘 흡수할 수 있는 상태로 만듭니다. 뒷면에는 전극 부착 부분을 제외하고 약간의 반사를 유도하는 처리를 합니다. 그리고 웨이퍼를 적절한 크기로 잘라서, 하나의 태양전지 셀을 만듭니다. 태양전지 셀을 모듈에 조립하고, 전기회로와 보호막 등을 부착하여 태양전지 패널을 만듭니다. 이러한 과정을 거쳐서 생산된 태양전지는 태양광 발전 시스템에서 전기를 생산하는 데 사용됩니다.

 

작동방식

태양 전지는 p형 실리콘과 n형 실리콘이라는 두 가지 유형의 반도체로 구성됩니다. p형 실리콘은 외부 에너지 준위에서 실리콘보다 전자가 하나 적은 붕소 또는 갈륨과 같은 원자를 추가하여 생성됩니다. 붕소는 주변 실리콘 원자와 결합을 형성하는 데 필요한 것보다 전자가 하나 적기 때문에 전자 빈자리 또는 "정공"이 생성됩니다. n형 실리콘은 인과 같이 실리콘보다 외부 준위에 전자가 하나 더 많은 원자를 포함하여 만들어집니다. 인은 외부 에너지 준위에 4개가 아닌 5개의 전자를 가지고 있습니다. 실리콘 이웃 원자와 결합하지만 하나의 전자는 결합에 관여하지 않습니다. 대신 실리콘 구조 내에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 태양 전지는 n형 실리콘 층 옆에 위치한 p형 실리콘 층으로 구성됩니다. n형 층에는 과잉 전자가 있고, p형 층에는 양전하를 띤 정공(가자 전자가 부족하여 공석)이 과잉으로 존재합니다. 두 층의 접합 근처에서 접합(n형 층)의 한쪽에 있는 전자는 접합의 다른 쪽(p형 층)에 있는 정공으로 이동합니다. 이렇게 하면 전자가 정공을 채우는 공핍 영역이라고 하는 접합부 주변 영역이 생성됩니다. 공핍 영역의 모든 정공이 전자로 채워지면 공핍 영역의 p형 면(처음에 정공이 존재했던 곳)은 이제 음으로 하전된 이온을 포함하고 고갈 영역의 n형 면(전자가 존재했던 곳)을 포함합니다. 반대로 하전된 이러한 이온의 존재는 n형 층의 전자가 p형 층의 구멍을 채우는 것을 방지하는 내부 전기장을 생성합니다. 햇빛이 태양 전지에 닿으면 실리콘의 전자가 방출되어 "홀"이 형성됩니다. 전기장에서 이런 일이 발생하면 전기장은 전자를 n형 층으로, 정공을 p형 층으로 이동시킵니다. n형과 p형 층을 금속선으로 연결하면 전자가 n형 층에서 공핍층을 거쳐 p형 층으로 이동한 뒤 n-형 층 뒤쪽의 외부 전선을 통해 이동합니다.

 

광전효과

광전효과는 태양광에 노출되었을 때 광전지 셀에서 전압이나 전류를 생성하는 과정입니다. 패널 내의 셀이 햇빛을 전기 에너지로 변환하는 방식이기 때문에 태양광 패널을 유용하게 만드는 것은 바로 이 효과입니다. 광전효과는 1839년 Edmond Becquerel에 의해 처음 발견되었습니다. 습식 전지와 관련된 실험을 할 때 그는 전지의 은판이 햇빛에 노출될 때 전지의 전압이 증가한다는 점에 주목했습니다. 광전효과는 태양 전지에서 발생합니다. 이 태양 전지는 pn 접합을 만들기 위해 함께 결합된 두 가지 유형의 반도체 (p형 및 n형)로 구성됩니다. 이 두 가지 유형의 반도체를 결합하면 전자가 양의 p 측으로 이동하고 정공이 음의 n 측으로 이동함에 따라 접합 영역에 전기장이 형성됩니다. 이 장은 음전하를 띤 입자를 한 방향으로 이동시키고 양전하를 띤 입자를 다른 방향으로 이동시킵니다. 빛은 단순히 전자기 복사 또는 에너지의 작은 묶음인 광자로 구성됩니다. 이러한 광자는 태양광 패널을 구성하는 셀 유형인 광전지에 의해 흡수될 수 있습니다. 적절한 파장의 빛이 이들 셀에 입사되면 광자의 에너지가 pn 접합에 있는 반도체 물질의 원자로 전달됩니다. 특히, 에너지는 재료의 전자로 전달됩니다. 이로 인해 전자가 전도대라고 하는 더 높은 에너지 상태로 점프하게 됩니다. 이것은 전자가 튀어나온 가전자대에 "구멍"을 남깁니다. 추가된 에너지의 결과로 전자의 이러한 이동은 전자-정공 쌍인 두 개의 전하 캐리어를 생성합니다. 여기 되지 않은 상태에서 전자는 주변 원자와 결합을 형성하여 반도체 물질을 함께 고정하므로 이동할 수 없습니다. 그러나 전도대의 여기 상태에서 이러한 전자는 물질을 통해 자유롭게 이동할 수 있습니다. pn 접합의 결과로 존재하는 전기장 때문에 전자와 정공은 예상대로 반대 방향으로 움직입니다. 해방된 전자는 p 측으로 끌리는 대신 n 측으로 이동하는 경향이 있습니다. 이러한 전자의 움직임은 세포에 전류를 생성합니다. 전자가 이동하면 "구멍"이 남습니다. 이 구멍도 이동할 수 있지만 p 쪽과 반대 방향입니다. 세포에 전류를 생성하는 것이 바로 이 과정입니다.