[태양전지 교과서] Week 1-Not just Photovoltaic & Fundamentals of PV

 

그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다

Prof. Christophe Ballif

태양에너지를 이용할 수 있는 방법은 태양전지 뿐만 아니라 태양열, 온실효과 등등 많다. (다양하다)

 

태양열

태양열로 가열한 온수를 쓸 수도 있다. 이 방법은 50~70%의 효율을 갖는다. 보다 효율적으로 태양열을 모으고 위해 태양열을 한 곳으로 집중시킬 수도 있다. (concentrated solar thermal)

 

렌즈, 거울 등으로 빛을 한 곳으로 모은다. 모은 열로 gas을 가열시켜 터빈을 돌리면 전기도 만들 수 있다.

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하지만, 역시 이 강의에서 배우는 건 PV다. PV는 빛을 직접적으로 전기로 바꾼다.

PV의 시작은 1839년으로 꽤 오래되었으며, 이 때 Edmond Becquerel라는 사람이 두 개의 금속 전극으로 electrolytic cell을 만들었더니 태양광으로 전기를 만들 수 있음을 발견했다.

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그 뒤 1883년쯤 첨으로 solar cell을 만들었고, 그 뒤로 쭉 효율을 향상시켜왔다.

Ideal solar cell

하나의 absorber + 두 개의 membrane

보통 absorber로서 반도체를 사용하고 빛을 흡수하는 층이다.

membrane은 두 가지 종류가 있는데, 전자를 운반하는 ETM(electron transporting membrane), hole을 운반하는 HTM(hole transporint membrane) 그래서 전자랑 홀이 각각 다른 전극으로 운반될 수 있다. 어느 하나는 전자만 뽑아내고, 어느 하나는 홀만 뽑아낸다.

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저 위에서는 absorber가 한 층으로 표현되어 있지만, 사실 주로 solar cell에는 두 종류의 반도체를 사용하기 때문에 2개의 층이다.

P-N junction

P-N junction solar cell

태양전지에는 n-semiconductor와 p-semiconductor가 필요하다. 순수한 반도체인 intrinsic semiconductor(Si, CdTe 등)는 자유로운 전자나 자유로운 홀이 별로 없다. -> 전류가 잘 흐르지 않는다. 그렇기 때문에 intrinsic semiconductor에 impurity를 넣어 doping을 시킨다.

n-semiconductor는 전자가 풍부한 반도체, p-semiconductor는 홀이 풍부한 반도체이고 이 둘을 접합시키면 전자나 홀이 다른 층으로 확산되면서 태양전지 내부의 전기장이 만들어진다. (왜 전기장이 만들어지는 나중에 다룰 듯)

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이 상태에서 빛이 주어지면 그제서야 전류가 생긴다. 빛의 에너지 hν가 반도체의 밴드갭 E_g보다 크면 태양전지는 그 빛을 흡수할 수 있다. 빛의 에너지가 밴드갭보다 작으면 전자를 conduction band로 옮길 수 없기 때문이다. 암튼 그러면 자유전자와 자유 홀이 생기고, 이러한 전하 운반자들이 junction을 지나 전류를 만든다. (이게 말로만 하니까 설명하기 어려운 듯... 나중에 더 자세히 하지 않을까?)

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검은 선은 도선(검은 선이 태양전지 곳곳에 퍼져 있는 이유는 효율적으로 전류를 모으기 위함)

저런 방식으로 전류를 모은다. 태양전지 전압은 밴드갭 Eg에 따라 달라진다. 태양전지의 전류 역시 밴드갭에 의해 달라진다. 그리고 표면적에 의해서도 달라진다. 높은 전압을 얻고 싶다면 태양전지 여러 개를 직렬로 연결한다.

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I-V curve in dark condition

어려워보이는 그림과 어려워보이는 식이다. 그리고 저기 알 수 없는 회로도도 나와있다. 사실 나도 잘 모르기 때문에 그냥 중요한 것만 보자. 위 그림은 어두울 때의(빛이 주어지지 않을 때) I-V curve이다. 그래서 빛에 의한 전류가 없다. 그냥 태양전지에 우리가 임의로 전압을 주었을 때 전류가 얼마나 흐르는지를 보는 그림이다.

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1) 축 방향 해석

V축 오른쪽: 정방향 전압 : p 반도체에 +, n 반도체에 - 전압을 걸어줌

V축 왼쪽: 역방향 전압 : p 반도체에 -, n 반도체에 + 전압을 걸어줌

I축 위쪽: 태양전지가 소모하는 전류

I축 아래쪽: 태양전지가 생산하는 전류

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왜 오른쪽을 정방향 전압, 왼쪽을 역방향이라고 부르는지 잘 몰라서 공부해봤는데 다른 블로그에서 답을 찾았다.

 

10강. 순방향전압(Forward Bias)과 역방향전압(Reverse Bias)인가 특성

 

 

이게 원래 p-n 접합의 모습

그런데 여기서 좀 더 자세히 들여다보면

n-SC에는 전자가 많고, p-SC에는 홀이 많음을 잘 표현했다. 주의할 점은 위 그림에서 전자는 밑으로 가고 싶어하고 홀은 위쪽 에너지로 가고 싶어한다. (부호가 달라서 그렇다)

drift current: 밑쪽 에너지로 가고 싶어하는 전자와 위쪽 에너지로 가고 싶어하는 홀에 의해 생기는 전류

diffusion current: n-SC에는 전자가, p-SC에는 홀이 많아서 각각의 전자와 홀은 다른 곳으로 확산하고 싶어하는데, 이 때문에 생기는 전류 (농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하느라 생김)

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이 상태에서 순방향 전압을 주면

p-SC의 경우 +전압을 가해주므로 에너지 선이 낮아지고, n-SC는 -전압이므로 높아진다

순방향 전압을 걸어줬더니 두 반도체 사이의 에너지 차이가 줄어들면서 diffusion current가 우세해졌다. 에너지 장벽이 낮아지면서 확산이 쉬워졌다. 만약, 순방향 전압을 더 많이 걸어준다면, 확산이 더 쉽게 일어나면서 전류의 값도 더 커질 것이다. 이게 바로 그래프의 오른쪽 부분이다.

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반면 역방향 전압의 경우,

확산에 의한 전류가 발생하지 않는다. 왜냐면 에너지 장벽이 너무 높아 뚫을 수가 없다. 대신, drift current가 우세해진다. 그런데 drift current는 minority carrier에 의해 발생한다. (p-SC에서는 전자, n-SC에서는 홀에 의해 발생한다) 따라서, 전류값이 낮다. 이게 바로 그래프의 왼쪽 부분이다.

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그래서 다음과 같이 그려지는 것이다. 순방향 전압에서는 많은 전류, 역방향 전압에서는 거의 흐르지 않음

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전류의 부호도 생각해야 한다. 위 p-n 접합 그림에서 오른쪽으로 흐르는 전류가 +방향, 왼쪽으로 흐르는 전류가 -방향이 된다. 왜냐하면, 양공은 풍부한 p형에서 n형으로 흐르고, 전자는 풍부한 n형에서 p형으로 흐르는 것이 자연스럽기 때문이다. 하지만, 우리가 원하는 전류의 방향은 n-SC에서 p-SC로 흐르는 전류(drift 전류)를 원한다. 빛을 받아서 p-SC의 전자가 conduction band로 올라간 뒤 n-SC로 흐르기를 원하기 때문이다. 이를 통해 -방향의 전류가 우리가 원하는 태양전지가 생산하는 전류고, +방향의 전류는 태양전지가 소모하는 전류라고 할 수 있다.

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이제 빛을 비출 때를 보면,

식이 조금 더 복잡해졌다. dark current에 photo current를 더했기 때문이다. photo current에 -부호가 붙은 이유는 photo current는 태양전지가 빛을 받아 만든 전류이기 때문에 -부호를 갖기 때문이다.

이 경우, 최대 전력은 전압이 0일 때와 전류가 0일 때 그 사이 어느 지점에서 나타나게 된다.

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Fill factor라고 태양전지의 효율을 나타내는 지수가 있다. 위 그래프에서 전압이 0일 때의 전류 값을 I_SC, 전류가 0일 때의 전압 값을 V_OC, 최대 전력일 때의 전압, 전류를 V_MPP, I_MPP라 하자. 그럼 fill factor는

그래서 이상적인 태양전지는 IV curve의 형태가 직사각형에 가깝다. 태양전지의 효율은 STC 조건에서 측정한다. STC(Standard test condition) 조건은 25℃, AM1.5G, 1000W/㎡ 조건이다. 그래서 태양전지가 생산하는 최대 전력과 light의 세기의 비율로 측정한다.

가끔씩 태양전지들을 보면 효율이 W 또는 Wp로 표시되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 태양의 복사 세기가 1000W/㎡일 때 태양전지가 그만큼의 전력을 생산해낸다는 것을 의미한다. 스위스나 독일 지역에서는 연간 일사 시간이 1000h이라서 1Wp의 1㎡ module이 연간 1kWh의 전력을 생산해낼 수 있다고 가정한다.

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MPPT(Maximum power point tracker)을 이용해 가장 최적의 전류, 전압 값을 찾을 수 있다. 조금씩 전압을 올려가며 출력 전력이 줄어드는지, 증가하는지를 관찰한다.