콘텐츠
태양 전지는 프랑스 물리학자인 Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891)이 발견 한 태양 광 효과로 알려진 현상에 의존합니다. 광전 효과와 관련이 있는데, 빛이 비추면 전도성 물질에서 전자가 방출되는 현상입니다. 알버트 아인슈타인 (1879-1955)은 당시의 새로운 양자 원리를 사용하여 그 현상에 대한 설명으로 1921 년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 광전 효과와 달리, 광기 전 효과는 단일 전도 판이 아닌 2 개의 반도체 판의 경계에서 발생합니다. 빛이 비출 때 실제로 전자가 방출되지 않습니다. 대신, 경계를 따라 축적되어 전압을 생성합니다. 두 개의 플레이트를 전도성 와이어로 연결하면 와이어에 전류가 흐릅니다.
아인슈타인의 위대한 업적과 그가 노벨상을 수상한 이유는 광전 판에서 방출 된 전자 에너지가 파동 이론이 예측 한대로 광도 (진폭)가 아니라 주파수에 의존한다는 것을 인식하는 것이 었습니다. 파장의 역수. 입사광의 파장이 짧을수록, 광의 주파수가 높아지고 방출 된 전자에 의해 더 많은 에너지를 보유하게됩니다. 같은 방식으로, 광전지는 파장에 민감하고 다른 것보다 스펙트럼의 일부 부분에서 햇빛에 더 잘 반응합니다. 이유를 이해하려면 아인슈타인의 광전 효과에 대한 설명을 검토하면 도움이됩니다.
전자 에너지에 대한 태양 에너지 파장의 영향
아인슈타인의 광전 효과에 대한 설명은 빛의 양자 모델을 확립하는 데 도움이되었습니다. 광자라고하는 각 광 묶음은 진동 주파수에 의해 결정되는 고유 한 에너지를가집니다. 광자의 에너지 (E)는 플랑크 스 법칙에 의해 주어진다 : E = hf, 여기서 f는 주파수이고 h는 플랑크 상수 (6.626 × 10)−34 주울 ∙ 초). 광자가 입자 성질을 가지고 있다는 사실에도 불구하고, 그것은 또한 파동 특성을 가지고 있으며, 어떤 파동에서, 그 주파수는 파장의 역수입니다 (여기서 w로 표시됨). 빛의 속도가 c이면 f = c / w이며 플랑크 스 법칙을 작성할 수 있습니다.
E = hc / w
광자가 전도성 물질에 입사하면, 개별 원자의 전자와 충돌합니다. 광자가 충분한 에너지를 가지고 있다면, 그들은 가장 바깥 쪽 껍질의 전자를 녹아웃시킵니다. 이 전자들은 물질을 자유롭게 순환한다. 입사 광자의 에너지에 따라 재료에서 모두 방출 될 수 있습니다.
플랑크 스 법에 따르면, 입사 광자의 에너지는 파장에 반비례합니다. 단파장 방사선은 스펙트럼의 보라색 끝을 차지하며 자외선과 감마선을 포함합니다. 한편, 장파장 방사선은 적색 끝을 차지하며 적외선, 마이크로파 및 전파를 포함합니다.
햇빛에는 전체 스펙트럼의 방사선이 포함되어 있지만 파장이 짧은 빛만 광전 또는 광기 전 효과를냅니다. 이것은 태양 스펙트럼의 일부가 전기를 생성하는 데 유용하다는 것을 의미합니다. 빛이 얼마나 밝거나 희미한지는 중요하지 않습니다. 최소한 태양 전지 파장 만 있으면됩니다. 고 에너지 자외선은 구름을 뚫을 수 있는데, 이는 태양 전지가 흐린 날에 작동해야한다는 것을 의미합니다.
일 함수 및 밴드 갭
광자는 전자를 궤도에서 떨어 뜨려 자유롭게 움직일 수 있도록 최소의 에너지 값을 가져야합니다. 전도성 재료에서이 최소 에너지를 일 함수라고하며 모든 전도성 재료마다 다릅니다. 광자와의 충돌에 의해 방출 된 전자의 운동 에너지는 일 함수를 뺀 광자의 에너지와 같습니다.
광전지에서, 물리학 자들이 PN- 접합이라고 부르는 것을 만들기 위해 두 개의 서로 다른 반도체 물질이 융합됩니다. 실제로, 실리콘과 같은 단일 물질을 사용하고이를 다른 화학 물질로 도핑하여이 접합을 생성하는 것이 일반적입니다. 예를 들어, 안티몬으로 실리콘을 도핑하면 N 형 반도체가 생성되고 붕소로 도핑하면 P 형 반도체가 만들어집니다. 궤도에서 튀어 나온 전자는 PN- 접합부 근처에 모여 전압을 증가시킵니다. 궤도에서 그리고 전도대로 전자를 두드리는 임계 에너지를 밴드 갭이라고합니다. 작업 기능과 유사합니다.
최소 및 최대 파장
태양 전지의 PN 접합에서 전압이 발생합니다. 입사 방사선은 대역 갭 에너지를 초과해야합니다. 이것은 재료마다 다릅니다. 실리콘의 경우 1.11 전자 볼트로 태양 전지에 가장 많이 사용되는 재료입니다. 1 전자 볼트 = 1.6 × 10-19 줄 간격은 1.78 × 10입니다.-19 줄. Plank 방정식 재 배열 및 파장 해석은이 에너지에 해당하는 빛의 파장을 알려줍니다.
w = hc / E = 1,110 나노 미터 (1.11 × 10-6 미터)
가시광 선의 파장은 400 ~ 700nm 사이에서 발생하므로 실리콘 태양 전지의 대역폭 파장은 매우 가까운 적외선 범위에 있습니다. 마이크로파 및 전파와 같이 더 긴 파장의 방사선은 태양 전지에서 전기를 생산하는 에너지가 부족합니다.
1.11eV보다 큰 에너지를 가진 광자는 실리콘 원자에서 전자를 전도 대역으로 분리 할 수 있습니다. 그러나 실제로, 매우 짧은 파장의 광자 (약 3eV 이상의 에너지를 갖는) 전자는 전도대에서 빠져 나가 작동하지 못하게한다. 태양 전지판의 광전 효과로부터 유용한 작업을 얻는 상위 파장 임계 값은 태양 전지의 구조, 구조에 사용되는 재료 및 회로 특성에 따라 다릅니다.
태양 에너지 파장 및 셀 효율
요컨대, PV 셀은 파장이 셀에 사용되는 재료의 밴드 갭보다 높으면 전체 스펙트럼의 빛에 민감하지만 매우 짧은 파장의 빛은 낭비됩니다. 이것은 태양 전지 효율에 영향을 미치는 요소 중 하나입니다. 다른 하나는 반도체 물질의 두께이다. 광자가 물질을 통해 먼 길을 이동해야하는 경우, 다른 입자와의 충돌로 에너지가 손실되고 전자를 제거하기에 충분한 에너지가 없을 수 있습니다.
효율에 영향을 미치는 세 번째 요소는 태양 전지의 반사율입니다. 입사광의 특정 부분이 전자를 만나지 않고 셀 표면에서 반사됩니다. 반사율로 인한 손실을 줄이고 효율을 높이기 위해 태양 전지 제조업체는 일반적으로 비 반사, 광 흡수 물질로 전지를 코팅합니다. 이것이 태양 전지가 일반적으로 검은 색인 이유입니다.