Si 태양전지 화공실험 레포트

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문서 내 토픽

• 1. Si 태양전지 구조 및 공정

  실리콘 태양전지는 여러 개의 Solar Cell을 연결하여 PV Module을 구성한다. 태양전지의 기본 구조는 n형과 p형 반도체가 접합된 형태로, 각 끝에 전극이 부착되어 있다. 웨이퍼는 반도체의 기본 재료이며 단결정, 멀티결정, 폴리결정, 마이크로결정 등의 종류가 있다. Si 반도체 공정은 웨이퍼 준비, P-N 접합 형성, 산화막 제거, 반사방지 코팅, 금속화, 마무리 단계를 거친다. 각 단계에서 화학적 처리와 열처리 공정이 포함되어 있다.

• 2. P-N 접합 원리

  P-N 접합은 홀 농도가 높은 P형 반도체와 전자 농도가 높은 N형 반도체가 만나는 구조이다. 두 반도체가 접합되면 페르미 준위가 같아지기 위해 N형의 전자가 P형으로 이동한다. 이로 인해 에너지 밴드에 장벽이 형성되며, 빛을 흡수하면 전자-홀 쌍(EHP)이 생성되어 전류가 발생한다. 열이나 음의 전압을 가하면 에너지 밴드 갭이 줄어들어 확산이 용이해진다.

• 3. 태양전지 성능 측정

  태양전지의 성능은 전압-전류 그래프를 통해 측정된다. Voc(개방회로 전압)는 전류가 0인 지점의 x축 절편이고, Isc(단락회로 전류)는 전압이 0인 지점의 y축 절편이다. 효율은 Voc × Isc × FF(Fill Factor) 공식으로 계산되며, FF는 그래프의 내부 면적을 의미한다. 제4사분면의 그래프 면적이 클수록 태양전지의 성능이 우수하다.

• 4. 광전효과와 전류 생성

  태양전지에서 광자가 빛을 흡수하면 P형 반도체에서 전자-홀 쌍이 생성된다. 생성된 전자는 N형으로 이동하고 홀은 P형에 머물러 전위차가 발생한다. 전자는 finger와 bus를 통해 이동하여 외부 회로에서 홀과 중화되면서 전류가 흐르게 된다. 이러한 광전효과를 통해 태양 에너지가 전기 에너지로 변환된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. Si 태양전지 구조 및 공정

  Si 태양전지는 반도체 산업의 성숙한 기술을 기반으로 하여 가장 널리 상용화된 태양전지입니다. 기본적인 구조는 P형과 N형 실리콘 층으로 이루어져 있으며, 전면 접촉층, 반사 방지막, 후면 접촉층 등이 추가됩니다. 공정 측면에서 확산, 식각, 증착 등의 표준화된 반도체 공정이 적용되어 대량 생산이 가능합니다. 다만 고순도 실리콘 재료 확보와 공정 단계별 불순물 관리가 중요하며, 최근에는 PERC, PERL 등 고효율 구조 개발로 효율 향상이 지속되고 있습니다. 비용 효율성과 안정성 측면에서 여전히 가장 경쟁력 있는 기술이라고 평가됩니다.

• 2. P-N 접합 원리

  P-N 접합은 태양전지의 핵심 구조로서 광전효과를 통해 전자-정공 쌍을 분리하는 역할을 합니다. P형 반도체의 정공과 N형 반도체의 전자가 접합면에서 확산되면서 내부 전기장이 형성되고, 이 전기장이 광에 의해 생성된 캐리어를 분리하여 전류를 생성합니다. 접합의 품질은 계면 결함, 도핑 농도 프로파일, 접합 깊이 등에 의해 결정되며, 이들이 태양전지의 개방 전압과 충전 인자에 직접 영향을 미칩니다. 현대의 고효율 태양전지는 다중 접합 구조를 활용하여 더 넓은 스펙트럼 범위의 빛을 활용하고 있습니다.

• 3. 태양전지 성능 측정

  태양전지 성능 측정은 표준화된 조건 하에서 이루어져야 신뢰성 있는 비교가 가능합니다. 주요 측정 지표는 단락 전류(Jsc), 개방 전압(Voc), 충전 인자(FF), 변환 효율(η) 등입니다. 측정 시 AM 1.5G 표준 스펙트럼, 1000 W/m² 조도, 25°C 온도 조건이 국제적으로 규정되어 있습니다. I-V 곡선 측정을 통해 이들 파라미터를 도출하며, 온도 계수, 스펙트럼 응답성, 양자 효율 등 추가 특성도 평가됩니다. 정확한 측정을 위해서는 교정된 기준 셀과 정밀한 측정 장비가 필수적이며, 측정 환경 제어가 중요합니다.

• 4. 광전효과와 전류 생성

  광전효과는 태양전지의 작동 원리의 기초로서, 광자가 반도체에 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하는 현상입니다. 생성된 캐리어가 P-N 접합의 내부 전기장에 의해 분리되면서 전류가 발생합니다. 광전류는 입사 광자 수, 재료의 밴드갭, 흡수 계수, 캐리어 수집 효율 등에 의존합니다. 실리콘의 경우 약 1.1 eV의 밴드갭으로 인해 가시광선 대부분을 흡수할 수 있으나, 적외선 영역의 광자는 활용하지 못합니다. 캐리어 수명, 확산 길이, 표면 재결합 속도 등이 수집 효율을 결정하므로, 이들을 최적화하는 것이 고효율 태양전지 개발의 핵심입니다.