태양에너지의 구조는 무엇인가요?

반도체에 빛이 닿으면 광자는 전자에 에너지를 제공하고 전자는 더 높은 에너지 상태로 점프하게 됩니다. 이 전자들 중에서 실제 광전자소자에 사용될 수 있는 전자는 다음과 같습니다. 1) 가전자대 전자, (2) 자유 전자 또는 정공(자유 캐리어), (3) 불순물 에너지 준위에 존재하는 전자. 태양전지에 이용 가능한 전자는 주로 원자가대 전자이다. 가전자대 전자에서 전도대로 빛의 에너지 전이 과정에 의해 결정되는 빛의 흡수를 고유 또는 고유 흡수라고 합니다. 태양전지 에너지 변환의 기본은 접합의 광기전 효과입니다. pn 접합에 빛이 조사되면 전자-정공 쌍이 생성되며, 반도체의 내부 접합 근처에서 생성된 캐리어는 재결합되지 않고 내장된 전기장에 이끌려 공간 전하 영역에 도달합니다. 영역과 정공이 pn 영역으로 흘러 들어가므로 n 영역에는 과잉 전자가 저장되고 p 영역에는 과잉 정공이 생깁니다. 이들은 전위 장벽의 방향과 반대인 pn 접합 근처에 광생성 전기장을 형성합니다. 광생성 전기장은 장벽 전기장의 효과를 부분적으로 상쇄하는 것 외에도, N 영역과 P 영역 사이의 얇은 층에서 p 영역을 양전하로 만들고 N 영역을 음전하로 만들기도 합니다. 광전효과이다. 이때, 외부 회로가 단락되면 입사된 빛 에너지에 비례하는 광전류가 외부 회로를 통해 흐르게 됩니다. 반면, PN 접합의 양쪽 끝에서는 단락 전류라고 합니다. 전자와 정공이 각각 N 영역과 P 영역으로 흘러들어 N 영역의 페르미 준위가 P 영역의 페르미 준위보다 높아지므로 개방 회로가 형성되고, 두 페르미 영역 사이에 전위차 VOC가 생성됩니다. 수준. 이 값은 측정 가능하며 개방 회로 전압이라고 합니다. 이때 접합은 순방향 바이어스 되므로 위의 단락광전류는 다이오드의 순방향 전류와 동일하므로 VOC 값을 결정할 수 있다. 1.2.2 태양전지의 에너지 변환과정 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 기본 구조는 반도체 PN 접합으로 구성됩니다. 또한 이종 접합, 쇼트키 장벽 등도 더 나은 광전 변환 효율을 달성할 수 있습니다. 이 섹션에서는 가장 일반적인 실리콘 PN 접합 태양전지를 예로 들어 빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 과정을 자세히 관찰합니다. 먼저, 태양전지를 구동할 때 외부에서 관찰되는 특성을 살펴봅니다. 그림 2.14는 빛이 없을 때의 일반적인 전류-전압 특성(암전류)을 보여줍니다. 이 태양전지에 햇빛이 비치면 암전류와 반대방향의 광전류 Iph가 흐르게 된다. 그림 2.14 빛과 빛이 없는 전류-전압 특성 태양전지에 부하 R을 연결하고 태양광을 조사하면 부하의 전류 Im과 전압 Vm은 그림과 빛이 있는 전류-전압 특성 곡선에 의해 결정됩니다. V=- IR로 표시되는 직선의 교차점을 결정합니다. 이때 부하에 Pout=RI2m의 *공* 비율 소비가 있는데, 이는 광전 에너지 변환이 진행 중임을 분명히 나타냅니다. 부하의 크기를 조정하면 최적의 작업 지점에서 최대 출력 *공* 속도를 얻을 수 있습니다. 출력되는 *공*율(전기 에너지)과 입력 *공*율(빛 에너지)의 비율을 태양전지의 에너지 변환 효율이라고 합니다. [다음페이지] 다음으로 태양전지 내부에 주목하여 에너지 전환 과정을 자세히 살펴보겠습니다. 태양전지는 실리콘 pn구조로 구성되어 표면과 뒷면에 정류특성이 없는 오믹접촉을 형성하고 있다. 그리고 부하 저항 R을 제외하고 회로에 다른 저항 구성 요소가 없다고 가정합니다. hν(eV)(hνgt; Eg, Eg는 실리콘의 밴드갭 폭) 에너지를 갖는 광자가 태양전지를 비추면 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 광자의 에너지는 실리콘의 밴드 갭보다 크기 때문에 전자는 전도대의 바닥보다 높은 에너지 레벨로 여기됩니다. p형 실리콘의 경우 소수 캐리어 농도 np는 매우 작으며(일반적으로 105/cm 미만) 전도대의 에너지 준위는 거의 비어 있으므로 전자는 즉시 전도대의 바닥으로 떨어집니다. 이때, 전자와 정공은 총 hν - Eg(ev)의 과잉 에너지를 포논(격자 진동)의 형태로 결정 격자에 전달합니다. 전도대의 바닥으로 떨어진 전자 중 일부는 표면이나 접합쪽으로 확산되고 일부는 반도체 내부 또는 표면에서 재결합하여 사라집니다. 그러나 접합에 도달한 일부 캐리어는 접합에 내장된 전기장에 의해 가속되어 n형 실리콘으로 흘러갑니다.

n형 실리콘에서는 전자가 다수 캐리어이므로 유입되는 전자는 유전 완화 시간의 순서로 전파됩니다. 동시에 n형 실리콘에서 캐리어 전기적 중성 조건을 충족시키기 위해 동일한 수의 유입 전자가 전달됩니다. 들어오는 전자인 전자 전자는 n형 실리콘에 연결된 전극에서 흘러나옵니다. 이때 전자는 공간전하 영역의 전위 높이와 전도대 바닥과 페르미 준위의 전위차에 해당하는 에너지를 잃습니다. N개의 전자가 초당 입방센티미터당 부하 저항기로 흘러 들어간다고 가정하면 부하 저항기에 인가되는 전압은 V=QNr=IR로 표현됩니다. 회로에 전원 공급 장치가 없기 때문에 실제로 태양전지의 접합부에는 전압 V=IR이 인가되는데, 즉 접합부는 순방향 바이어스된다. 접합이 순방향 바이어스되면 다이오드 전류 Id=I0[exp(qV/nkT)-1]는 광 여기에 의해 생성된 캐리어에 의해 형성된 광전류 Iph와 반대 방향으로 흐르므로 부하 저항으로 흐릅니다. 값은 (2.39)입니다. 부하 저항에서 전자는 1qV의 에너지를 잃습니다. 이는 전기 에너지 qV로 변환된 광자 에너지 hν와 같습니다. 부하 저항을 통해 흐르는 전자는 p형 실리콘 표면 전극에 도달하여 P형 실리콘에서 과잉 캐리어가 된 다음 쓸려 나온 정공과 재결합하여 광전류를 형성합니다. 1.3 태양전지의 기본 특성 1.3.1 단락 회로 전류 태양 배터리의 단락 전류는 광전류와 같습니다. 단락 전류 *fa*를 분석하는 가장 편리한 방법은 태양 스펙트럼을 여러 세그먼트로 나누고, 각 세그먼트는 매우 좁은 파장 범위만을 갖고, 스펙트럼의 각 세그먼트에 해당하는 전류를 찾는 것입니다. 배터리의 회로 전류는 다음의 합계입니다. (2.40) 여기서 λ0 - 고유 흡수 파장 한계 R(λ) - 표면 반사율 F(λ) - 태양 스펙트럼의 광자 수입니다. l ~ l dl 범위의 파장. F(l)의 값은 태양 천정각에 크게 의존합니다. F(l) 분포를 나타내는 매개변수로는 AM(AirMass)이 있다. AM은 지구 대기에 직사광선이 입사하여 이동한 경로 길이를 나타내며, 다음과 같이 정의됩니다. b0 - 표준 대기압 b - 측정 당시의 대기압 Z - 일반적으로 b b0, 예를 들어. , AM1은 태양이 천정에 있을 때의 상황에 해당하고, AM2는 태양의 고도각이 30°일 때의 상황에 해당하며, AM0는 우주의 분포를 나타냅니다. 실제 반도체 표면의 반사율은 반사율과 관련이 있습니다. 입사광의 파장, 일반적으로 30~50%. 표면 반사를 방지하기 위해 반도체 표면에 반도체 굴절률과 공기 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 투명박막층을 마련한다. 이 박막층을 반사 방지 코팅이라고 합니다. 반도체, 반사방지막, 공기의 굴절률이 각각 n2, n1, n0이고 반사방지막의 두께가 d1이라고 가정하면 반사율 R은 (2.42)입니다. 여기서 r1=( n0 - n1)/(n0 n1) r2 =(n1 - n2)/(n1 n2) θ=2πn1d1/λ λ-파장 분명히 반사방지막의 두께 d1이 1/4 파장일 때 R은 최저한의. 즉시(λ=λ') (2.43) 일반적으로 태양 스펙트럼의 피크 파장에서 R이 최소가 되어 d1 값을 결정합니다. 실리콘 셀을 예로 들면, 가시광선에서 적외선까지의 범위에서 실리콘의 굴절률은 n2 = 3.4~4.0이므로 식 (2.43)을 0으로 만들면 n1( , n0 = 1)의 값은 1.8입니다. n12.0. l'=4800옹스트롬, 600옹스트롬 d1667옹스트롬이라고 가정하면 이러한 조건을 충족하는 재료는 일반적으로 중앙 파장에서 일산화규소를 사용할 수 있습니다. 반사방지 필름을 마련함으로써 단락전류를 30~40% 증가시킬 수 있다. 또한 반사방지막으로는 SiO2(n11.5), Al2O3(n11.9), Sb2O3(n11.9), TiO2, Ta2O5(n12.25)가 사용된다. 굴절률이 다른 두 개의 산화막을 겹쳐서 특정 조건이 충족되면 더 넓은 파장 범위에 걸쳐 굴절률을 줄일 수 있습니다. 또한 표면 반사를 방지하기 위해 표면을 피라미드 모양의 정사각형 *fa*로 가공할 수도 있습니다