태양전지의 작동 원리

태양 전지 햇빛을 흡수하여 일반 배터리의 기능을 생성합니다. 그러나 기존 배터리와 달리 기존 배터리의 출력 전압과 최대 출력 전력은 고정되어 있는 반면, 태양 전지의 출력 전압, 전류 및 전력은 조명 조건 및 부하 작동 지점과 관련이 있습니다. 이 때문에 태양전지를 이용해 전기를 생산하려면 전류-전압 관계와 태양전지의 작동원리를 이해해야 한다.

햇빛의 스펙트럼 조명:

태양전지의 에너지원은 햇빛이므로 입사되는 햇빛의 강도와 스펙트럼에 따라 태양전지의 전류와 전압 출력이 결정됩니다. 우리는 물체를 태양 아래에 놓으면 두 가지 방식으로 햇빛을 받는다는 것을 알고 있습니다. 하나는 직사광선이고 다른 하나는 표면의 다른 물체에 의해 산란된 후 확산되는 햇빛입니다. 정상적인 상황에서 직접 입사광은 태양전지가 받는 빛의 약 80%를 차지합니다. 따라서 다음 논의에서는 햇빛에 대한 직접적인 노출에도 중점을 둘 것입니다.

태양광의 강도와 스펙트럼은 단위 면적당 단위 파장당 빛의 세기(W/㎡um)인 스펙트럼 방사조도(spectrum irradiance)로 표현할 수 있습니다. 태양광의 강도(W/㎡)는 스펙트럼 조명의 모든 파장의 합입니다. 햇빛의 스펙트럼 조명은 측정된 위치와 지구 표면을 기준으로 한 태양의 각도와 관련이 있습니다. 이는 햇빛이 지구 표면에 도달하기 전에 대기에 의해 흡수되고 산란되기 때문입니다. 위치와 각도의 두 가지 요소는 일반적으로 소위 기단(AM)으로 표시됩니다. 태양광 조명의 경우 AMO는 태양이 직접 비추는 우주 공간의 상황을 말합니다. 광도는 약 1353W/㎡로, 이는 온도 5800K의 흑체 복사에 의해 생성된 광원과 거의 같습니다. AMI는 지구 표면의 상황을 말하며 태양이 직접 빛날 때 빛의 강도는 약 925W/m2입니다. AMI.5는 지구 표면의 상황을 나타내며, 태양이 45도 각도로 입사할 때 빛의 강도는 약 844W/m2입니다. AM 1.5는 일반적으로 지구 표면에 있는 햇빛의 평균 조도를 나타내는 데 사용됩니다. 태양전지 회로 모델:

빛이 없을 때 태양전지는 pn 접합 다이오드처럼 동작합니다. 이상적인 다이오드의 전류-전압 관계는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

여기서 I는 전류, V는 전압, Is는 포화전류, VT=KBT/q0이며, 여기서 KB는 BoItzmann 상수, q0는 단위전하, T는 온도이다. 실온에서는 VT=0.026v입니다. Pn 다이오드 전류의 방향은 소자 내에서 P형에서 N형으로 흐르도록 정의하고, 전압의 양수 값과 음수 값을 P형 단자 전위로 정의한다는 점에 유의해야 합니다. n형 단자 전위를 뺀 것입니다. 따라서 이 정의를 따르면 태양전지가 작동할 때 전압 값은 양수이고 전류 값은 음수이며 IV 곡선은 4사분면에 있습니다. 여기에서 독자는 소위 이상적인 다이오드가 많은 물리적 조건을 기반으로 하며 실제 다이오드에는 생성-재결합 전류와 같이 장치의 전류-전압 관계에 영향을 미치는 몇 가지 비이상적인 요소가 자연스럽게 있다는 점을 상기해야 합니다. 그것에 대해 많이 논의하지 마십시오. 태양전지가 빛에 노출되면 pn 다이오드에 광전류가 발생합니다. pn 접합의 내장 전기장 방향이 n형에서 p형으로 향하기 때문에 광자의 흡수에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 n형 끝을 향하고 정공은 p형 끝을 향하게 됩니다. -끝을 입력하십시오. 둘에 의해 형성된 광전류는 n형에서 p형으로 흐르게 된다. 일반적으로 다이오드의 순방향 전류 방향은 p형에서 n형으로 흐르는 것으로 정의됩니다. 이러한 방식으로, 이상적인 다이오드와 비교할 때, 태양 전지가 조명될 때 생성되는 광전류는 음의 전류입니다. 태양 전지의 전류-전압 관계는 이상적인 다이오드에 음의 광전류 IL을 더한 것으로, 그 크기는 다음과 같습니다.

즉, 빛이 없을 때(IL=0) 태양전지는 그냥 평범한 다이오드이다. 태양전지가 단락될 때, 즉 V=0일 때, 단락전류는 Isc=-IL이다. 즉, 태양전지가 단락되었을 때, 단락전류는 입사된 빛에 의해 생성된 광전류이다. 태양전지가 개방회로인 경우, 즉 I=0인 경우 개방회로 전압은 다음과 같습니다.

그림 2. 태양전지의 등가 회로: (a) 없음, (b) 직렬 저항 및 션트 저항 있음. 여기서는 개방 회로 전압과 단락 전류가 태양전지 특성의 두 가지 중요한 매개변수라는 점을 강조해야 합니다.

태양전지의 전력 출력은 전류와 전압의 곱입니다.

분명히, 태양전지의 전력 출력은 고정된 값이 아닙니다. 특정 전류-전압 동작 지점에서 최대값에 도달하며 최대 출력 전력 Pmax는 dp/dv=0으로 결정될 수 있습니다. 최대 출력 전력 Pmax에서의 출력 전압은 다음과 같다고 추론할 수 있습니다.

출력 전류는 다음과 같습니다.

태양전지의 최대 출력 전력은 다음과 같습니다.

태양전지의 효율은 태양전지가 입사광의 전력 Pin을 최대 출력 전력으로 변환하는 비율, 즉 다음과 같습니다.

일반적인 태양전지 효율 측정은 pin=1000W/㎡인 태양광과 유사한 광원을 사용합니다.

실험적으로, 태양전지의 전류-전압 관계는 위의 이론적 설명을 완전히 따르지 않습니다. 이는 태양광발전소자 자체에 소위 직렬저항과 션트저항이 있기 때문이다. 모든 반도체 재료 또는 반도체와 금속 사이의 접촉에는 필연적으로 더 크거나 작은 저항이 존재하며, 이는 광전지 장치의 직렬 저항을 형성합니다. 반면, 광전지 장치의 양극과 음극 사이의 이상적인 Pn 다이오드 이외의 모든 전류 경로는 장치의 생성-재결합 전류와 같은 소위 누설 전류를 유발합니다. , 표면 재결합 전류, 장치의 불완전한 가장자리 절연 및 금속 접촉 침투 접합.

일반적으로 태양전지의 누설전류를 정의하기 위해 션트 저항(Shunt resistance)을 사용하는데, 즉 Rsh=V/Ileak이다. 션트 저항이 클수록 누설 전류는 작아집니다. 결합 저항 Rs와 션트 저항 Rsh를 고려하면 태양전지의 전류-전압 관계는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

또한 직렬 저항과 션트 저항의 효과를 모두 요약하기 위해 소위 채우기 비율이라는 하나의 매개변수만 사용할 수도 있습니다. 로써 정의 된:

직렬 저항이 없고 션트 저항이 무한대(누설 전류 없음)인 경우 충전 계수가 최대라는 것은 명백합니다. 직렬 저항이 증가하거나 션트 저항이 감소하면 충전율이 감소합니다. 이런 식으로,. 태양전지의 효율은 개방회로전압(Voc), 단락전류(Isc), 충전율(Fill Factor) FF 등 세 가지 중요한 매개변수로 표현될 수 있다.

당연히 태양전지의 효율을 높이려면 개방전압, 단락전류(즉, 광전류), 충전율(즉, 직렬저항과 누설전류 감소)을 동시에 높여야 한다.

개방 회로 전압 및 단락 전류: 이전 공식으로 판단하면 태양전지의 개방 회로 전압은 광전류와 포화 셀에 의해 결정됩니다. 반도체 물리학의 관점에서 보면 개방 회로 전압은 공간 전하 영역에서 전자와 정공 사이의 페르미 에너지 차이와 같습니다. 이상적인 Pn 다이오드의 포화 전류는 다음을 사용할 수 있습니다.

표현. 여기서 q0는 단위 전하, ni는 반도체의 고유 캐리어 농도, ND와 NA는 각각 도너와 억셉터의 농도, Dn과 Dp는 각각 전자와 정공의 확산 계수를 나타내며, 위 식은 n을 가정한 것입니다. - 타입 영역과 p-타입 영역이 모두 넓은 경우. 일반적으로 p형 기판을 사용하는 태양전지의 경우 n형 영역이 매우 얕아 위 식을 변형할 필요가 있다.

앞서 태양전지에 빛을 비추면 광전류가 생성되며, 광전류는 태양전지의 전류-전압 관계에서 폐회로 전류라고 언급했습니다. 여기서는 광전류의 기원에 대해 간략하게 설명하겠습니다. 단위 시간당 단위 부피(단위 m -3 s -1 )의 캐리어 생성 속도는 광흡수 계수, 즉

그 중 α는 입사광자의 세기(또는 광자속밀도)인 광흡수계수를 나타내고, R은 반사계수를 나타내므로 반사되지 않는 입사광자의 세기를 나타낸다. 광전류를 생성하는 세 가지 주요 메커니즘은 p형 영역에서 소수 캐리어 전자의 확산 전류, n형 영역에서 소수 캐리어 정공의 확산 전류, 공간 전하 영역에서 전자와 정공의 드리프트입니다. 현재의. 따라서 광전류는 대략 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

이 중 Ln과 Lp는 각각 p형 영역의 전자와 n형 영역의 정공의 확산 길이를 나타내며, 는 공간 전하 영역의 폭이다. 이러한 결과를 요약하면 개방 회로 전압에 대한 간단한 표현을 얻을 수 있습니다.

여기서 Vrcc는 단위 부피당 전자-정공 쌍의 재결합 속도를 나타냅니다. 물론 개방전압은 공간전하 영역에서 전자와 정공의 페르미 에너지 차이와 같고, 전자와 정공의 페르미 에너지 차이는 캐리어 생성율과 재결합율에 의해 결정되기 때문에 이는 자연스러운 결과이다. .