S O L A R C E L L 광 공 학 협 동 과 정 신 상 훈.

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1 S O L A R C E L L 광 공 학 협 동 과 정 신 상 훈

2 CONTENTs History of Solar Cell What are Solar Cells Photovoltaic CELL
Class of Solar Cell Application of Solar Cell

3 The Origins of Solar Cell
1839년 프랑스의 물리학자 Edmond Becquerel은 처음으로 전해질 (electrolyte)에 담근 전극(electrode)사이에서 재료들이 빛을 받을 때 작은 양의 전류가 흐르는 것 을 발견 1876년 Heinrich Hertz가 Selenium 과 같은 고체에서도 같은 현상이 발생됨을 관 찰, 이런 현상을 광전효과(photovoltaic effect)라고 하며 그 같은 재료를 태양전지 (solar cells or PV cells) 라고 부른다. 당시의 빛 전환 전류 효율은 1% ~ 2% 정도 였을 뿐이다. 본격적인 PV system의 상업화는 1940년대와 1950년대 사이 1941년 적정한 효율을 내는 실리콘(Si) 태양전지가 연구 1954년에 이르러 고순도 결정질 실리콘을 생산할 수 있는 Czochralski 방법이 개발 되어 Bell 연구소에서 4%의 효율을 내는 첫번째 결정질 실리콘 태양전지가 만들어 졌다. 1970년대 에너지 위기를 직면하여 미국 정부와 산업계에서는 효율이 높고 상업화 가능성이 큰 태양전지를 개발할 필요성이 크게 요구되었다. 이 후로 태양전지는 점점 더 대면적화 하게 되고 생산단가도 계속 낮아지는 발전경로를 거치게 된다. 1980년대에 이르러 새로운 재료의 태양전지, 즉 CdTe, CuInSe2 ,TiO2등이 탄생 하게 되었고 현재 그 연구가 활발히 진행되고 있다.

4 What are Solar Cells ? Solar cells are devices which convert solar energy directy into electricity, either directly via the photovotaic effect, or indirectly by first converting the solar energy to heat or chemical energy. The most common form of solar cells are based on the photovoltaic(PV) effect in which light falling in a two layer semiconductor device produces a photovoltage or potential difference between the layers. This voltage is capable of driving a current through an external circuit and thereby producing useful work.

5 The Need For Solar Cell Low maintenance, long lasting sources of electricity suitable for places remote from both the main electricity grid and from people Cost effective power supplies for people remote from the main electricity grid Non polluting and silent sources of electricity A convenient and flexible sources of small amounts of power Renewable and sustainable power as a means of reducing global warming 1.인공위성 2 원격지 정착민, 선박등 3. 여행지 카라반 4. 계산기 시계 광도계 카메라.5.

6 Photovoltaic CELL Photovoltaics cell or modules
Photovoltaics convert sunlight directly into electricity. - photo = light voltaic = electricity

7 PN junction Free hole N-type P-type Junction(10-4cm) Free electron
Barrier valtage Vb= 0.3 V for Ge = 0.7V for Si

8 Photovoltaic effect 광조사에 의해서 생성되는 전자, 정공을 반도체 안에 형성시킨 내부 전계를 사용해서 서로 역방향으로 분리시키면 커다란 광 기전력 효과(Photovoltaic effect)가 얻어지는데 내부 전계를 형성하기 위해서 PN 접합 사용 영역 A나 D는 광 조사에 의해서 생성되는 전자, 정공은 접합 경계 부근까지 확산되어 가나 경계 부근의 내부 전계 때문에 전자는 N측에 정공은 P측으로 분리, 경계 부근의 영역 B나 C에서 생성되는 전자, 정공은 내부 전계에 의해서 곧 분리되는데 이 결과로 P측의 전극에는 정공이, N측의 전극에는 전자가 모여서, PN양극에 기전력이 발생한다.

9 Photovoltaic effect P형 반도체와 금속과의 접촉부
Carrier의 대부분이 빛의 흡수에 의해 생성되고 확산에 의해 수송되며 재결합에 의해 부분적으로 소멸되는 p형 bulk지역 공핍층과 연결되는 접합부분으로 carrier들은 접합 전기장에 의해 분리되며 공핍지역이나 계면에 존재하는 localized state에서의 재결합에 의해 carrier들이 부분적으로 소멸된다. (4) 직렬저항에 관계되는 n형 bulk 지역 (5) N형 반도체와 전극과의 접촉부

10 p-n junction diode < 전자-정공 쌍의 생성과 광전전압 Ep가 형성되는 것을 나타낸 모식도> 그림은 p-n 접합의 비 대칭성을 나타낸 것이다. n-type 지역은 큰 전자밀도 (electron density)와 작은 정공밀도(hole density) 를 가지고 있고 p-type 지역은 그와 정반대로 되어있다. 따라서 열적 평형상태에서 p-type반도체와 n-type반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐 리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge) 의 불균형이 생기고 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 carrier 의 확산이 일어나지 않게 된다. 이 다이오드에 그 물질의 전도대 (conduction band) 와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛 에너 지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite) 된다. 이때 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동 할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 excess carrier라 고 하며 이 excess carrier들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이 에 의해서 확산하게 된다. 이때 p- type반도체에서 여기된 전자들과 n-type반도체에서 만들어진 정공을 각각의 minority carrier라고 부르 며, 기존 접합전의 p-type또는 n-type반도체내의 carrier(p-type의 정 공, n-type의 전자) 는 이와 구분해 majority carrier라고 부른다. 이 때 majority carrier들은 전기장으로 생긴energy barrier 때문에 흐름 의 방 해를 받지만 p-type의 minority carrier인 전자는 n-type쪽으로 각각 이동할 수 있다. Minority carrier의 확 산에 의해 재료 내부의 charge neutrality가 깨짐으로써 전압차(potential drop)가 생기고 이 때 p-n접합 다 이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다. - 태양광에 의해 전자-정공 쌍의 생성이 p-n 접합부에서의 carrier 확산거리 내에서 일어나면 전하의 분리가 일어나서 전자는 n형 측으로 이동하고 정공은 p형 측으로 이동 -태양광에너지가 접합부에 연속적으로 투입될 때, 광전전압 Ep 형성

11 Principle of Solar Cell
그림1은 태양전지의 단면을 나타내며, 일반적으로 태양전지의 구조는 단결정 규소 태양전지의 경우 실리 콘(Si)에 5가 원소인 (인, 비소,안티몬)등을 첨가시킨 N 형 반도체와 3가 원소(붕소,칼륨)등을 침투 시켜 만 든P 형 반도체로 이루어진 p-n 접합 구조로. 구성이 됩니다. 이러한 태양전지에 빛을 받으면, 광 기전력 효 과에 의하여 태양전지 내부에 전자와 전공이 발생되고 전자는 윗쪽 전극에 그리고 정공은 아래쪽 전극에 형 성되어 태양전지외부에 도선을 연결하여 전기부하를 걸면 전류가 +에서 - 쪽으로 흐르게 된다. 대부분 보통의 태양전지는 대면적의 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)로 이루어져 있다. 광전 에너 지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야 하는 요건은 반도체 구조 내에서 전자들이 비 대칭적으로 존재해야 한다는 것이다. PN접합으로 이루어진 반도체에 햇빛을 비추면 반도체 내부에서 전자 와 정공이 발생하며 전자와 정공은 각각 N층과 P층으로 이동하여 PN 접합 간에 전위차를 발생시킨다.이러한 원리를 이용하여 전기를 발생 시키는 소자

12 Solar Cell의 효율 효율 (%) = (생산된 전력양) / (태양 빛 에너지) x 100
태양전지의 효율을 특징 지워주는 변수로는 open-circuit voltage(Voc), short-circuit current(Jsc), 그리고 fill factor(FF). Fill factor(FF) 는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 태양전지의 효율을 특징 지워주는 변수로는 open-circuit voltage(Voc), short-circuit current(Jsc), 그리고 fill factor(FF) 등이다. open-circuit voltage(Voc) 는 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 동종접합(homojunction) 의 경우를 예로서 설명하자면, 얻을 수 있는 최대한의 Voc값은 p-type 반도체와 n-type 반도체 사이의 일함수 값(work function) 의 차이로 주어지며, 이 값은 반도체의 밴드갭에 의해 결정되므로 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 Voc값이 얻어진다. Short-circuit current(Jsc)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값) 의 전류밀도 이다. 이 값은 우선적으로 입사광의 세기와 파장분포(spectral distribution)에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태에서는 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination) 하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존된다. 이 때 재결합에 의한 손실은 재료의 내부에서나 계면에서 일어날 수 있다. 또한 Jsc를 크게 하기 위해선 태양전지 표면에서의 태양 빛의 반사를 최대한으로 감소 시켜야 한다. 이를 위해 Antireflection coating을 해주거나 metal contact을 만들 때 태양 빛을 가리는 면적을 최소화 해주어야 한다. 가능한 모든 파장의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만 그렇게 되면 Voc도 감소하게 되므로 적정한 밴드갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대크기의 Voc와Jsc값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드갭 에너지는 1.4eV가 된다. Fill factor(FF) 는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 따라서 fill factor는 빛이 가해진 상태에서 J-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표이다. 태양전지의 효율 η은 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다. The change of I-V curve characteristics of semiconductors, exposed to light

13 η=(Vmp x Imp)/Pi=(Voc x Ioc)FF/Pi Pi: Input Power
Solar Cell의 효율 short circuit current, Isc - 광전압이 생성되지 않았을 때, 전지에서 얻을 수 있는 최대 전류밀도 open circuit potential, Voc - 회로에 큰 저항이 걸려 광전류가 흐르지 않을때 생성된 광전압으로 전지에서 얻을 수 있는 Gibbs 자유 에너지. 높은 Voc를 얻기 위해서는 charge carrier의 확산거리가 가급적 커야하고, donar와 acceptor의 도핑농도가 가급적 커야하고, 결정의 부피가 얇은 박막과 같이 가급적 작아야 한다. fill factor, FF - 전지에서 출력의 최적점은 Vm/Im으로 표현되는 저항 최적점 최대출력은 Vm과 Im의 곱인, Pm=VmIm - fill factor란 출력 Pm과 VocIsc의 비율, 전지의 성능을 나타내는 주요한 척도 FF=(Vmp x Imp)/(Voc x Ioc) 광전효율 - 태양전지의 효율 는 광전출력와 투입된 태양광 에너지의 비율 η=(Vmp x Imp)/Pi=(Voc x Ioc)FF/Pi     Pi: Input Power  1) short circuit current, Isc Isc는 광전압이 생성되지 않았을 때, 전지에서 얻을 수 있는 최대 전류밀도이다. 또한 전자-정공 쌍으로 전환되는 광양자의 총수와 같다. 2) open circuit potential, Voc Voc는 회로에 큰 저항이 걸려 광전류가 흐르지 않을때 생성된 광전압으로 전지에서 얻을 수 있는 Gibbs 자유 에너지이다. 높은 Voc를 얻기 위해서는 charge carrier의 확산거리가 가급적 커야하고, donar와 acceptor의 도핑농도가 가급적 커야하고, 결정의 부피가 얇은 박막과 같이 가급적 작아야한다 3) fill factor, FF 전지에서 출력의 최적점은 그림 3에서 Vm/Im으로 표현되는 저항 최적점이다. 이 때의 최대출력은 Vm과 Im의 곱인, Pm=VmIm으로 나타난다. fill factor란 출력 Pm과 VocIsc의 비율로써, 전지의 성능을 나타내는 주요한 척도이다. fill factor라는 명칭은 그림 3의 전류-전압 특성곡선에서 사각형 VocIsc의 얼마만큼이 최대효율 사각형 Pm으로 채워지는가를 나타내는 데서 유래한다. 이론적으로 FF는 Voc의 함수이고, Voc가 높을수록 크지게 된다. 일반적으로 최적화된 태양전지에서 fill factor는 0.6∼0.75의 범위에 있다. 4) 광전효율, 태양전지의 효율 는 광전출력와 투입된 태양광 에너지의 비율로써 다음과 같이 정의된다. Plight는 태양전지에 투입되는 태양광 에너지이다. 현재 상업적으로 이용되는 태양전지의 효율은 12∼16%이다.

14 Solar Cell 의 종류 태양전지는 크게 실리콘계, 화합물계, 기타 태양전지로 구분하고
실리콘계가 산업의 85% 이상 점유.

15 태양광 시스템의 구성도 태양전지에서 생산되는 전기는 직류(DC)전기입니다. 이러한 직류전기가 그대로 사용되는 경우도 있겠으나 우리가 보통 쓰는 전기는 교류(AC)이기 때문에 DC를 AC로 바꾸는 인버터가 필요합니다. 그리고 태양전지는 주로 낮에 전기를 만들어 내지만 사람들이 전기를 쓰는 시간이 이와 다를 수 있으므로 전기를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있도록 축전지(Battery)가 필요합니다. 또 장마철이나 태풍등의 영향으로 비교적 장기간 태양전지가 작동할 수 없는 경우를 대비하여 보조발전기(주로 화력발전기)도 있어야 합니다. 대표적인 전력계통도를 표시하면 아래의 그림과 같습니다. 그림에 표시된 전력조절장치는 태양전지가 주어진 조건에서 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 장치입니다.

16 태양전지모듈 태양전지 모듈 - 몇장-몇십장의 태양전지셀을 직렬또는 병렬로 묶은 단위
- 몇장-몇십장의 태양전지셀을 직렬또는 병렬로 묶은 단위 태양전지 셀은 하나의 셀이 아무리 크다고 해도 전압이 약 0.5V밖에 발생하지 않는다 일반적인 전자제품은 1.5V이상의 전압으로 작동되므로, 건전지를 직렬로 연결하듯이 태양전지(셀)을 직렬로 연결하여 사용해야 한다. 발생전류는 태양전지 셀의 면적과 거의 비례하므로, 셀을 병렬로 연결하면, 많은 전류를 얻을 수 있다. 셀 모듈 어레이(array)

17 태양전지 제품구성 흐름도 실리콘 응괴에서 웨이퍼 형태로 자르고 이를 태양전지로 제조하고 나면 한 개의 태양전지가 0.6V 전압과 3A 이상의 전류를 생성하는 발전기 또는 건전지와 같아 이를 직렬로 연결하면 12V, 24V 등 원하는 전력을 얻을 수 있어 태양광 주택등에 발전전력원으로 사용

18 염료감응형 태양전지 배경 - 실리콘을 이용하는 태양전지는 25%까지 도달하는 효율과 제조공정의 확보 등으로 가장 널리 사용되고 있지만, 제조에 대형의 고가장비가 사용되고, 원료의 가격의 한계 때문에 발전단가가 한계치에 도달 나노입자를 이용하는 염료감응형 태양전지에 주목 - 10.4%의 광전효율에 도달한 염료감응형 태양전지는 향후 가능한 실용도달효율이 20% - 전지의 발전단가를 실리콘계의 5분의 1, 20년의 수명이 보장되고, 다양한 응용가능성을 지니고 있어, 세계적으로 많은 연구자들과 기업들의 집중적인 연구가 행해지고 있다 - TiO2를 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광 흡수용 염료고분자, 전해질, 투명전극 등으로 구성되어 있는, 식물의 광합성원리를 응용한 전지

19 염료감응형 태양전지 - 샌드위치 구조 속에, 투명유리 위에 코팅된 투명전극에 접착되어 있는 나노입자로 구성된 다공질 TiO2, TiO2 입자 위에 단분자층으로 코팅된 염료고분자, 그리고 두 전극 사이에 있는 50∼100 m 두께의 공간을 채우고 있는 산화환원용 전해질 용액이 들어있는 형태 - 전극은 양쪽을 모두 투명전극을 사용하기도 하지만, 일반적으로 에너지효율을 높이기 위하여 태양광이 입사하는 반대쪽 전극은 반사도가 좋은 백금을 사용

20 Solar Cell의 장,단점 단 점 장 점 - 환경적합성 : 폐가스, 폐열 등 환경 오염과 소음이 없음
연료, 냉각수 불필요 : 에너지 자원 보존, 입지상의 문제 없음 모듈화 : 발전용량의 신축성, 발전시설의 유동성 단기건설기간 : 수요증가에 신속 대응 가능 부하 패턴 적합성 : 첨두부하 경감, 공급예비력 저감에 효과적 대응 무보수성, 고신뢰성 : 무인 자동화 운전 가능, 운전 비용 절감 단 점 대면적 필요 : 일사량에 의존, 대규모 발전에 대면적이 필요 이용률 낮음 : 야간, 우천시 등에는 발전 불가능 불안정성 : 일사량 변동에 따라 출력이 불안정 고전류 출력 불가능 : 공급가능 전류에 한계, 급격한 전력수요 대응 불가 - 고 발전단가 : 태양전지 및 주변장치의 가격때문에 초기 투자 비용이 많이 들기때문에 발전단가가 높다

21 Application of Solar Cell
태양전지기와 워터펌프 배터리 충전지 가로등

22 인공위성

23 CONCLUSION 태양전지의 향후 향방에 대해 우주로의 적용에 대한 관심이 매우 커져 가고 있다. 태양전지의 배열은 우주에서 동력을 발생하고 실질적으로 모든 위성들에 동력을 잘 발생하게 동작한다. 대부분의 위성과 우주선 은 수정 실리콘 또는 고효율 그룹 III-IV 전지를 갖추어 가고 있으며 더 욱이 최근 위성은 박막 무정형 실리콘을 기본으로 하는 태양 패널을 사 용하기 시작했다. 태양전지의 효율을 2배로 향상시키면 설치면적, 비용등이 ½이 되므로 변환효율을 향상시키는 것이 중요하다. 그리고, 수명은 실용적인 관점 에서 매우 중요한 요소이다. 발전부분 반도체는 수명이 반영구적이나 그외 플라스틱이나 리드선, 플레이임을 포함하여 장시간의 수명이 필요 하다. 또, 혁신적인 생산수단을 개발하여 가격을 낮추는 것도 앞으로 연 구 목표 중의 하나이다.