0. Contents
1. 해석
8.1 Introduction
A material or device that is capable of converting the energy contained in photons of light into an electrical voltage and current is said to be photovoltaic.
빛의 광자에 포함된 에너지를 전기 전압과 전류로 변환할 수 있는 물질 또는 장치를 광전지라고 합니다.
A photon with short enough wavelength and high enough energy can cause an electron in a photovoltaic material to break free of the atom that holds it.
충분히 짧은 파장과 높은 에너지를 가진 광자는 광전지 물질 내의 전자를 떼어낼 수 있습니다.
If a nearby electric field is provided, those electrons can be swept toward a metallic contact where they can emerge as an electric current.
근처에 전기장이 제공되면 이러한 전자들은 금속적인 접점 쪽으로 향하게 되고 거기서 전기 전류로 나타날 수 있습니다.
The driving force to power photovoltaics comes from the sun, and it is interesting to note that the surface of the earth receives something like 6000 times as much solar energy as our total energy demand.
광전지를 구동하는 동력은 태양에서 비롯되며, 흥미로운 점은 지구 표면이 총 에너지 수요에 비해 약 6000배나 많은 태양 에너지를 받는다는 것입니다.
The history of photovoltaics (PVs) began in 1839 when a 19-year-old French physicist, Edmund Becquerel, was able to cause a voltage to appear when he illuminated a metal electrode in a weak electrolyte solution (Becquerel, 1839).
태양전지의 역사는 1839년 19세의 프랑스 물리학자 에드뮌 벡렐이 약한 전해질 용액에서 금속 전극을 조명하면 전압이 나타난다는 현상을 발견한 것으로 시작합니다(Becquerel, 1839).
Almost 40 years later, Adams and Day were the first to study the photovoltaic effect in solids (Adams and Day, 1876).
거의 40년 후에는 Adams와 Day가 고체 물질에서 광전 효과를 연구한 최초의 사람들 중 하나였습니다(Adams와 Day, 1876).
They were able to build cells made of selenium that were 1% to 2% efficient.
그들은 세레늄으로 만든 셀을 구축하여 1%에서 2%의 효율을 달성했습니다.
Selenium cells were quickly adopted by the emerging photography industry for photometric light meters; in fact, they are still used for that purpose today.
세레늄 셀은 금새 나타난 사진 산업에서 포토메트릭 라이트 미터용으로 채택되었으며 사실, 지금까지 그 용도로 사용되고 있습니다.
As part of his development of quantum theory, Albert Einstein published a theoretical explanation of the photovoltaic effect in 1904, which led to a Nobel Prize in 1923.
양자 이론을 개발하는 일환으로, 알버트 아인슈타인은 1904년에 광전 효과의 이론적 설명을 발표하여 1923년 노벨 상을 수상하게 되었습니다.
About the same time, in what would turn out to be a cornerstone of modern electronics in general, and photovoltaics in particular, a Polish scientist by the name of Czochralski began to develop a method to grow perfect crystals of silicon.
거의 동시에 현대 전자 및 특히 태양전지의 기초가 될 것인 폴란드 과학자 Czochralski가 완벽한 실리콘 결정을 성장시키기 위한 방법을 개발하기 시작했습니다.
By the 1940s and 1950s, the Czochralski process began to be used to make the first generation of single-crystal silicon photovoltaics, and that technique continues to dominate the photovoltaic (PV) industry today.
1940년대와 1950년대에는 Czochralski 공정이 첫 번째 세대의 단결정 실리콘 태양전지를 만드는 데 사용되었으며, 그 기술은 오늘날에도 태양전지(PV) 산업을 주도하고 있습니다.
As part of his development of quantum theory, Albert Einstein published a theoretical explanation of the photovoltaic effect in 1904, which led to a Nobel Prize in 1923.
양자 이론 개발 과정에서 알버트 아인슈타인은 1904년에 광전 효과에 대한 이론적 설명을 발표하였으며, 이는 1923년 노벨 상 수상으로 이어졌습니다.
About the same time, in what would turn out to be a cornerstone of modern electronics in general, and photovoltaics in particular, a Polish scientist by the name of Czochralski began to develop a method to grow perfect crystals of silicon.
거의 동시에 현대 전자 및 특히 태양전지에 중요한 역할을 하는 폴란드의 Czochralski라는 과학자가 완벽한 실리콘 결정을 성장시키기 위한 방법을 개발하기 시작했습니다.
By the 1940s and 1950s, the Czochralski process began to be used to make the first generation of single-crystal silicon photovoltaics, and that technique continues to dominate the photovoltaic (PV) industry today.
1940년대와 1950년대에는 Czochralski 공정이 최초의 단결정 실리콘 태양전지를 만드는 데 사용되었으며, 이 기술은 현재까지 태양전지(PV) 산업을 주도하고 있습니다.
As part of his development of quantum theory, Albert Einstein published a theoretical explanation of the photovoltaic effect in 1904, which led to a Nobel Prize in 1923.
양자 이론 개발 중, 알버트 아인슈타인은 1904년에 광전 효과에 대한 이론적 설명을 발표하였으며, 이는 1923년 노벨 상 수상으로 이어졌습니다.
About the same time, in what would turn out to be a cornerstone of modern electronics in general, and photovoltaics in particular, a Polish scientist by the name of Czochralski began to develop a method to grow perfect crystals of silicon.
거의 동시에 현대 전자 및 특히 태양전지에 중요한 역할을 하는 폴란드의 Czochralski라는 과학자가 완벽한 실리콘 결정을 성장시키기 위한 방법을 개발하기 시작했습니다.
By the 1940s and 1950s, the Czochralski process began to be used to make the first generation of single-crystal silicon photovoltaics, and that technique continues to dominate the photovoltaic (PV) industry today.
1940년대와 1950년대에는 Czochralski 공정이 최초의 단결정 실리콘 태양전지를 만드는 데 사용되었으며, 이 기술은 현재까지 태양전지(PV) 산업을 주도하고 있습니다.
In the 1950s there were several attempts to commercialize PVs, but their cost was prohibitive.
1950년대에는 몇 차례 PV 상용화 시도가 있었지만, 그 비용이 막대했습니다.
The real emergence of PVs as a practical energy source came in 1958 when they were first used in space for the Vanguard I satellite.
PV가 실제로 실용적인 에너지원으로 부상한 것은 1958년이었는데, 그 해 Vanguard I 위성에서 처음 사용되었습니다.
For space vehicles, cost is much less important than weight and reliability, and solar cells have ever since played an important role in providing onboard power for satellites and other space craft.
우주 탐사기에서는 비용보다 중량과 신뢰성이 훨씬 중요하므로 태양 전지는 그 후로도 위성 및 기타 우주 항공기의 내부 전원을 제공하는 데 중요한 역할을 해왔습니다.
Spurred on by the emerging energy crises of the 1970s, the development work supported by the space program began to pay off back on the ground.
1970년대에 나타난 에너지 위기에 자극받아, 우주 프로그램에서 지원하는 개발 작업이 땅에서도 성과를 거두기 시작했습니다.
By the late 1980s, higher efficiencies (Fig. 8.1) and lower costs (Fig. 8.2) brought PVs closer to reality, and they began to find application in many offgrid terrestrial applications such as pocket calculators, off-shore buoys, highway lights, signs and emergency call boxes, rural water pumping, and small home systems.
1980년대 말까지 높은 효율성 및 낮은 비용으로 PV가 현실에 더 가까워지자, 태양전지는 휴대용 계산기, 해상 부이, 도로 조명, 표지판 및 비상 전화 박스, 시골에서의 물 공급 및 소형 가정 시스템과 같은 다양한 미연결 지역 응용 분야에서 사용되기 시작했습니다.
While the amortized cost of photovoltaic power did drop dramatically in the 1990s, a decade later it is still about double what it needs to be to compete without subsidies in more general situations.
1990년대에 태양전지 발전의 원가가 크게 감소했지만, 10년 후에도 보조금 없이 일반 상황에서 경쟁할 수 있을 정도로는 아직 2배 정도 높습니다.
By 2002, worldwide production of photovoltaics had approached 600 MW per year and was increasing by over 40% per year (by comparison, global wind power sales were 10 times greater).
2002년까지 전 세계 태양전지의 생산량은 연간 600 메가와트에 가까웠으며, 연평균 40% 이상 증가하고 있었습니다. (비교적으로, 전 세계 풍력발전 매출은 10배 더 많았습니다.)
However, as Fig. 8.3 shows, the U.S. share of this rapidly growing PV market has been declining and was, at the turn of the century, less than 20% of the total.
그러나 그림 8.3에서 나타나듯이 미국은 이 급증하는 태양전지 시장에서의 점유율이 감소하고 있었으며, 21세기 전환 시점에서는 전체의 20% 미만이었습니다.
Critics of this decline point to the government’s lack of enthusiasm to fund PV R&D.
이 감소의는 비평가들은 미국 정부가 태양전지 연구 및 개발에 자긍심이 부족하다고 지적하고 있습니다.
By comparison, Japan’s R&D budget is almost an order of magnitude greater.
비교적으로 일본의 연구 개발 예산은 거의 1자릿수 배 더 큽니다.
8.2 Basic Semiconductor Physics
Photovoltaics use semiconductor materials to convert sunlight into electricity.
태양전지는 태양광을 전기로 변환하기 위해 반도체 소재를 사용합니다.
The technology for doing so is very closely related to the solid-state technologies used to make transistors, diodes, and all of the other semiconductor devices that we use so many of these days.
이 기술은 트랜지스터, 다이오드 및 현재 우리가 많이 사용하는 다른 반도체 장치를 만드는 데 사용되는 고체 상태 기술과 매우 관련이 있습니다.
The starting point for most of the world’s current generation of photovoltaic devices, as well as almost all semiconductors, is pure crystalline silicon.
현재 세계의 대부분의 태양전지 장치 및 거의 모든 반도체의 시작점은 순결한 결정 실리콘입니다.
It is in the fourth column of the periodic table, which is referred to as Group IV (Table 8.1).
Germanium is another Group IV element, and it too is used as a semiconductor in some electronics.
Other elements that play important roles in photovoltaics are boldfaced.
실리콘은 주기율표의 4열에 속하며 Group IV로 불립니다. (Table 8.1).
Germanium은 다른 Group IV 원소로, 일부 전자기기에서 반도체로 사용됩니다.
태양전지에서 중요한 역할을 하는 다른 원소들은 굵게 표시되어 있습니다.
As we will see, boron and phosphorus, from Groups III and V, are added to silicon to make most PVs. Gallium and arsenic are used in GaAs solar cells, while cadmium and tellurium are used in CdTe cells.
보론과 인은 대부분의 태양전지를 만들기 위해 실리콘에 첨가되며, 갈륨과 비소는 GaAs 태양전지에서 사용되고 카드뮴과 텔루륨은 CdTe 셀에서 사용됩니다.
Silicon has 14 protons in its nucleus, and so it has 14 orbital electrons as well.
실리콘은 핵에 14개의 프로톤을 가지고 있으며, 따라서 14개의 오비탈 전자도 있습니다.
As shown in Fig. 8.4a, its outer orbit contains four valence electrons—that is, it is tetravalent.
그 중 외부 오비탈에는 네 개의 원자가 전자가 포함되어 있으며, 이것은 테트라발런트입니다.
Valence electron(원자가 전자)
: 화학과 물리학에서 원자가 전자는 원자의 바깥 껍질 전자 중 바깥 껍질이 닫혀 있지 않으면 화학 결합에 참여할 수 있는 전자이다. 단일 공유 결합에서는 결합에 참여하는 두 원자 모두 공유 쌍을 형성하기 위해 하나의 원자가 전자를 기여한다.
Tetravalent
: 사가성의 [원자가가 4인 경우]
Those valence electrons are the only ones that matter in electronics, so it is common to draw silicon as if it has a +4 charge on its nucleus and four tightly held valence electrons, as shown in Fig. 8.4b.
발렌스 전자만이 전자공학에서 중요하므로 실리콘은 핵에 +4의 전하와 네 개의 꽉 붙잡힌 원자가 전자가 있는 것처럼 그릴 수 있습니다.
In pure crystalline silicon, each atom forms covalent bonds with four adjacent atoms in the three-dimensional tetrahedral pattern shown in Fig. 8.5a. For convenience, that pattern is drawn as if it were all in a plane, as in Fig. 8.5b.
순결한 결정 실리콘에서 각 원자는 그림 8.5a에 나와 있는 세 개의 차원 테트라헤드럴 패턴에서 다른 네 개의 원자와 공유결합을 형성합니다. 편의상 그 패턴은 평면에 있다고 그릴 수 있으며 이는 그림 8.5b와 같습니다.
8.2.1 The Band Gap Energy
At absolute zero temperature, silicon is a perfect electrical insulator.
There are no electrons free to roam around as there are in metals.
절대 온도에서 실리콘은 완벽한 전기 절연체입니다.
금속처럼 전자가 돌아다니는 것은 없습니다.
As the temperature increases, some electrons will be given enough energy to free themselves from their nuclei, making them available to flow as electric current.
온도가 올라감에 따라 일부 전자는 핵에서 자유롭게 될 정도의 에너지를 얻게되어 전기 흐름으로 참여할 수 있게 됩니다.
The warmer it gets, the more electrons there are to carry current, so its conductivity increases with temperature (in contrast to metals, where conductivity decreases).
더 높아지면 전류를 운반할 수 있는 전자가 더 많아지므로 온도가 올라감에 따라 전도도가 증가합니다(금속에서는 전도도가 감소함).
That change in conductivity, it turns out, can be used to advantage to make very accurate temperature sensors called thermistors.
이 전도도의 변화는 실제로 매우 정확한 온도 센서인 써미스터를 만드는 데 유용하게 사용될 수 있습니다.
Thermistor
: 서미스터(thermistor)란 저항기의 일종으로, 온도에 따라 물질의 저항이 변화하는 성질을 이용한 전기적 장치이다. 열가변저항기라고도 하며, 주로 회로의 전류가 일정 이상으로 오르는 것을 방지하거나, 회로의 온도를 감지하는 센서로써 이용된다.
서미스터는 주로 폴리머나 세라믹 소재로 제작되며, 섭씨 영하 90도에서 130도 사이에서 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있다. 이러한 점에서 순수한 금속을 사용하여 고온의 온도를 측정하는 저항 온도계와는 차이를 보인다.
Silicon’s conductivity at normal temperatures is still very low, and so it is referred to as a semiconductor.
실리콘의 일반적인 온도에서의 전도도는 여전히 매우 낮기 때문에 반도체로 분류됩니다.
As we will see, by adding minute quantities of other materials, the conductivity of pure (intrinsic) semiconductors can be greatly increased.
순수한(순수) 반도체의 전도도는 매우 낮기 때문에 순수한 반도체에 극미량의 다른 물질을 첨가함으로써 전도도를 크게 증가시킬 수 있습니다.
Quantum theory describes the differences between conductors (metals) and semiconductors (e.g., silicon) using energy-band diagrams such as those shown in Fig. 8.6.
양자 이론은 전도체(금속)와 반도체(예: 실리콘) 간의 차이를 그림 8.6과 같은 에너지 밴드 다이어그램을 사용하여 설명합니다.
Electrons have energies that must fit within certain allowable energy bands.
The top energy band is called the conduction band, and it is electrons within this region that contribute to current flow.
전자는 특정 허용된 에너지 밴드에 들어갈 수 있는 에너지를 가지고 있습니다.
최상위 에너지 밴드를 conduction band 라고 하며, 이 영역 내의 전자가 전류 흐름에 기여합니다.
As shown in Fig. 8.6, the conduction band for metals is partially filled, but for semiconductors at absolute zero temperature, the conduction band is empty.
그림 8.6에서 볼 수 있듯이 금속의 경우 전도 밴드는 부분적으로 채워져 있지만, 절대 온도에서 반도체의 경우 전도 밴드는 비어 있습니다.
At room temperature, only about one out of 1010 electrons in silicon exists in the conduction band.
실리콘의 경우 0도에서는 전도 밴드에 있는 전자가 1010개 중 약 1개 정도뿐입니다.
The gaps between allowable energy bands are called forbidden bands, the most important of which is the gap separating the conduction band from the highest filled band below it.
허용된 에너지 밴드 간의 갭을 forbidden bands 라고 하며, 가장 중요한 것은 conduction band 와 그 아래의 최고로 채워진 밴드를 나누는 갭입니다.
The energy that an electron must acquire to jump across the forbidden band to the conduction band is called the band-gap energy, designated Eg.
conduction band 로 건너가려면 전자가 획득해야 하는 에너지를 밴드갭 에너지라고 하며 Eg로 지정됩니다.
The units for band-gap energy are usually electron-volts (eV), where one electron-volt is the energy that an electron acquires when its voltage is increased by 1 V (1 eV = 1.6 × 10−19 J).
밴드갭 에너지의 단위는 일반적으로 일렉트론볼트(eV)이며, 여기서 1 일렉트론볼트는 전압이 1 V 증가할 때 전자가 획득하는 에너지입니다(1 eV = 1.6 × 10^-19 J).
The band-gap Eg for silicon is 1.12 eV, which means an electron needs to acquire that much energy to free itself from the electrostatic force that ties it to its own nucleus—that is, to jump into the conduction band.
실리콘의 밴드갭 Eg는 1.12 eV이며, 이는 전자가 자신의 핵에 묶여 있는 정전기적인 힘에서 벗어나려면 이만큼의 에너지가 필요하다는 것을 의미합니다. 즉, 전도 밴드로 뛰어 넘어가려면 이만큼의 에너지가 필요합니다.
Where might that energy come from? We already know that a small number of electrons get that energy thermally.
이 에너지는 어디서 오는 것일까요? 이미 소수의 전자가 열적으로 그 에너지를 얻어오는 것을 알고 있습니다.
For photovoltaics, the energy source is photons of electromagnetic energy from the sun.
태양 전지에 대한 에너지 원은 태양으로부터 오는 전자기 에너지의 광자입니다.
When a photon with more than 1.12 eV of energy is absorbed by a solar cell, a single electron may jump to the conduction band.
1.12 eV 이상의 에너지를 가진 광자가 태양 전지에서 흡수되면 단일 전자가 전도 밴드로 점프 할 수 있습니다.
When it does so, it leaves behind a nucleus with a +4 charge that now has only three electrons attached to it.
그렇게 하면 핵에 +4의 전하를 가진 핵이 남아있게 되는데, 여기에는 이제 3개의 전자만이 붙어 있습니다.
That is, there is a net positive charge, called a hole, associated with that nucleus as shown in Fig. 8.7a.
즉, 그 핵에는 Fig. 8.7a에 보시다시피 핵과 연관된 홀이라는 양전하가 있습니다.
Unless there is some way to sweep the electrons away from the holes, they will eventually recombine, obliterating both the hole and electron as in Fig. 8.7b.
전자를 홀에서 떼어내는 방법이 없다면, 결국 홀과 전자가 상쇄되어 재결합할 것입니다(그림 8.7b 참조).
When recombination occurs, the energy that had been associated with the electron in the conduction band is released as a photon, which is the basis for light-emitting diodes (LEDs).
결합이 발생하면 전도 밴드의 전자에 연결된 에너지가 광자로 방출되는데, 이것이 발광 다이오드(LED)의 기초입니다.
It is important to note that not only is the negatively charged electron in the conduction band free to roam around in the crystal, but the positively charged hole left behind can also move as well.
중요한 것은 전자가 conduction band 에서 자유롭게 움직일 뿐만 아니라 남겨진 양전하인 홀도 움직일 수 있다는 것입니다.
A valence electron in a filled energy band can easily move to fill a hole in a nearby atom, without having to change energy bands.
채워진 에너지 밴드의 원자에 있는 원자가 전자는 에너지 밴드를 변경할 필요 없이 근처의 원자에 있는 홀을 채우기 위해 쉽게 이동할 수 있습니다.
Having done so, the hole, in essence, moves to the nucleus from which the electron originated, as shown in Fig. 8.8.
그렇게 하면 홀은 본질적으로 전자가 유래한 핵으로 이동하는 것처럼 됩니다(그림 8.8 참조).
This is analogous to a student leaving her seat to get a drink of water.
A roaming student (electron) and a seat (hole) are created.
이는 학생이 자리를 비워 물을 마시러 간 것과 유사합니다.
돌아다니는 학생(전자)과 좌석(홀)이 생성됩니다.
Another student already seated might decide he wants that newly vacated seat, so he gets up and moves, leaving his seat behind.
이미 앉아 있는 다른 학생은 그 새로 비워진 좌석을 원할 수 있으므로 일어나서 이동하면서 그 좌석을 비워둡니다.
The empty seat appears to move around just the way a hole moves around in a semiconductor.
빈 좌석은 반도체에서 홀이 움직이는 방식과 같이 움직인다고 볼 수 있습니다.
The important point here is that electric current in a semiconductor can be carried not only by negatively charged electrons moving around, but also by positively charged holes that move around as well.
여기서 중요한 점은 반도체에서 전기 전류가 음전하를 갖는 전자뿐만 아니라 양전하를 갖는 홀도 함께 움직일 수 있다는 것입니다.
Thus, photons with enough energy create hole-electron pairs in a semiconductor.
따라서 충분한 에너지를 갖는 광자는 반도체에서 홀-전자 쌍을 생성합니다.
Photons can be characterized by their wavelengths or their frequency as well as by their energy; the three are related by the following:
광자는 에너지뿐만 아니라 파장이나 주파수로 특성화될 수 있으며, 다음과 같은 관계가 있습니다:
where c is the speed of light (3 × 108 m/s), v is the frequency (hertz), λ is the wavelength (m), and
whereE is the energy of a photon (J) and h is Planck’s constant (6.626 × 10−34 J-s).
For a silicon photovoltaic cell, photons with wavelength greater than 1.11 μm have energy hν less than the 1.12-eV band-gap energy needed to excite an electron.
실리콘 태양전지 셀의 경우, 파장이 1.11 μm보다 큰 광자는 hν 에너지가 1.12 eV의 밴드 갭 에너지보다 낮아 전자를 활성화시키기에 충분하지 않습니다.
None of those photons create hole-electron pairs capable of carrying current, so all of their energy is wasted. It just heats the cell.
이러한 광자들은 전류를 운반할 수 있는 홀-전자 쌍을 생성하지 않으므로 그들의 에너지는 모두 셀 내에서 낭비되어 열을 발생시킵니다.
On the other hand, photons with wavelengths shorter than 1.11 μm have more than enough energy to excite an electron.
반면에 1.11 μm보다 짧은 파장을 가진 광자는 1.12 eV 이상의 충분한 에너지를 갖고 있어 전자를 활성화할 수 있습니다.
Since one photon can excite only one electron, any extra energy above the 1.12 eV needed is also dissipated as waste heat in the cell.
하나의 광자는 하나의 전자만 활성화시킬 수 있으므로 1.12 eV 이상의 추가 에너지는 모두 셀 내에서 낭비 열로 방출됩니다.
Figure 8.9 uses a plot of (8.2) to illustrate this important concept.
Figure 8.9는 이 중요한 개념을 설명하는 데에 (8.2)의 플롯을 사용합니다.
The band gaps for other photovoltaic materials—gallium arsenide (GaAs), cadmium telluride (CdTe), and indium phosphide (InP), in addition to silicon—are shown in Table 8.2.
기타 태양전지 소재인 갈륨 비소 (GaAs), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 인듐 인화물 (InP)의 밴드 갭은 Table 8.2에 표시되어 있습니다.
These two phenomena relating to photons with energies above and below the actual band gap establish a maximum theoretical efficiency for a solar cell.
To explore this constraint, we need to introduce the solar spectrum.
이 밴드 갭 위아래의 두 현상은 태양 전지의 최대 이론적 효율을 확립합니다.
이 제약을 탐구하기 위해서는 태양 스펙트럼을 소개해야 합니다.
8.2.2 The Solar Spectrum
As was described in the last chapter, the surface of the sun emits radiant energy with spectral characteristics that well match those of a 5800 K blackbody.
태양 표면은 지난 장에서 설명한 대로 스펙트럼 특성이 5800 K 흑체와 매우 일치하는 방출체입니다.
Blackbody(흑체)
: 진동수와 입사각에 관계없이 입사하는 모든 전자기 복사를 흡수하는 이상적인 물체
이다. 온도가 감소하면서, 흑체복사 곡선의 정점이 크기는 줄어들고 파장은 길어지는 방향으로 이동한다.
Just outside of the earth’s atmosphere, the average radiant flux is about 1.377 kW/m2, an amount known as the solar constant.
지구 대기권 바깥에서의 평균 복사 플럭스는 약 1.377 kW/m2로, 이를 태양 상수라고 합니다.
As solar radiation passes through the atmosphere, some is absorbed by various constituents in the atmosphere, so that by the time it reaches the earth’s surface the spectrum is significantly distorted.
태양 복사는 대기를 통과하는 동안 대기 중 다양한 성분에 의해 일부가 흡수되므로 지표면에 도달할 때 스펙트럼이 상당히 왜곡됩니다.
The amount of solar energy reaching the ground, as well as its spectral distribution, depends very much on how much atmosphere it has had to pass through to get there.
지면에 도달하는 태양 에너지의 양과 그 스펙트럼 분포는 거기에 도달하기까지 거치는 대기의 양에 크게 의존합니다.
Recall that the length of the path taken by the sun’s rays through the atmosphere to reach a spot on the ground, divided by the path length corresponding to the sun directly overhead, is called the air mass ratio, m.
Thus, an air mass ratio of 1 (designated “AM1”) means that the sun is directly overhead.
태양 광선이 지표면의 한 지점에 도달하기까지 대기를 통과하는 경로의 길이를 해독하는 데 사용되는 것이 곧 태양 입도비, m,입니다.
따라서 태양이 직접 수직 위에 있는 경우를 나타내는 입도비 1 (AM1)은 태양이 직접 수직 위에 있는 것을 의미합니다.
By convention, AM0 means no atmosphere; that is, it is the extraterrestrial solar spectrum.
관례적으로 AM0은 대기가 없음을 나타내며 즉, 이는 외계 태양 스펙트럼입니다.
For most photovoltaic work, an air mass ratio of 1.5, corresponding to the sun being 42 degrees above the horizon, is assumed to be the standard.
The solar spectrum at AM 1.5 is shown in Fig. 8.10.
대부분의 태양전지 작업에서는 42도의 기울기로 태양이 있을 때의 입도비 1.5가 표준으로 가정됩니다.
AM 1.5 스펙트럼은 Fig. 8.10에 표시되어 있습니다.
For an AM 1.5 spectrum, 2% of the incoming solar energy is in the UV portion of the spectrum, 54% is in the visible, and 44% is in the infrared.
AM 1.5 스펙트럼에서 들어오는 태양 에너지의 2%는 UV 스펙트럼에 있으며, 54%는 가시 영역에 있으며, 44%는 적외선에 있습니다.
8.2.3 Band-Gap Impact on Photovoltaic Efficiency
We can now make a simple estimate of the upper bound on the efficiency of a silicon solar cell.
우리는 이제 실리콘 태양전지의 효율 상한을 간단히 추정할 수 있습니다.
We know the band gap for silicon is 1.12 eV, corresponding to a wavelength of 1.11 μm, which means that any energy in the solar spectrum with wavelengths longer than 1.11 μm cannot send an electron into the conduction band.
실리콘의 밴드 갭이 1.12 eV, 즉 1.11 μm의 파장에 해당하는 것을 알고 있습니다. 이는 태양 스펙트럼에서 1.11 μm보다 긴 파장을 가진 모든 에너지가 전자를 이끌어내지 못한다는 것을 의미합니다.
And, any photons with wavelength less than 1.11 μm waste their extra energy.
그리고 1.11 μm보다 짧은 파장을 가진 어떠한 광자도 그들의 여분의 에너지를 낭비합니다.
If we know the solar spectrum, we can calculate the energy loss due to these two fundamental constraints.
태양 스펙트럼을 알고 있다면 이 두 가지 기본 제약으로 인한 에너지 손실을 계산할 수 있습니다.
Figure 8.10 shows the results of this analysis, assuming a standard air mass ratio AM 1.5.
Fig. 8.10은 표준 입도비 AM 1.5를 가정한 이 분석의 결과를 보여줍니다.
As is presented there, 20.2% of the energy in the spectrum is lost due to photons having less energy than the band gap of silicon (hν < Eg), and another 30.2% is lost due to photons with hν > Eg.
거기서 제시된 것처럼 스펙트럼에서의 에너지의 20.2%는 실리콘의 밴드 갭 (hν < Eg)보다 적은 에너지를 가진 광자로 인해 손실되고, 다른 30.2%는 hν > Eg인 광자로 인해 손실됩니다.
The remaining 49.6% represents the maximum possible fraction of the sun’s energy that could be collected with a silicon solar cell.
남은 49.6%는 실리콘 태양전지로 수집할 수 있는 태양 에너지의 최대 가능한 분율을 나타냅니다.
That is, the constraints imposed by silicon’s band gap limit the efficiency of silicon to just under 50%.
즉, 실리콘의 밴드 갭에 의한 제약으로 실리콘의 효율은 50% 미만입니다.
Even this simple discussion gives some insight into the trade-off between choosing a photovoltaic material that has a small band gap versus one with a large band gap.
심지어 이 간단한 토의도 작은 밴드 갭을 가진 광전지 재료와 큰 밴드 갭을 가진 광전지 재료 중 어떤 것을 선택할지에 대한 트레이드오프에 대한 통찰력을 제공합니다.
With a smaller band gap, more solar photons have the energy needed to excite electrons, which is good since it creates the charges that will enable current to flow.
작은 밴드 갭은 더 많은 태양 광자가 전자를 활성화하기에 충분한 에너지를 가지고 있다는 것이 좋습니다. 왜냐하면 이것은 전류가 흐를 수 있는 전하를 만들어냅니다.
However, a small band gap means that more photons have surplus energy above the threshold needed to create hole–electron pairs, which wastes their potential.
그러나 작은 밴드 갭은 잠재적인 낭비로 인해 더 많은 광자가 필요 이상의 에너지를 가질 수 있다는 것을 의미합니다.
High band-gap materials have the opposite combination.
A high band gap means that fewer photons have enough energy to create the currentcarrying electrons and holes, which limits the current that can be generated.
높은 밴드 갭 재료는 반대의 조합을 갖고 있습니다.
높은 밴드 갭은 더 적은 태양 광자가 전류를 생성할 수 있는 충분한 에너지를 가지도록 제한합니다.
On the other hand, a high band gap gives those charges a higher voltage with less leftover surplus energy.
반면에, 전하에게 더 높은 전압을 제공하면서 남은 여분의 에너지를 줄입니다.
In other words, low band gap gives more current with less voltage while high band gap results in less current and higher voltage.
다시 말해, 낮은 밴드 갭은 전압이 적으면서 더 많은 전류를 제공하고, 높은 밴드 갭은 전류가 적고 전압이 더 높게 나옵니다.
Since power is the product of current and voltage, there must be some middle-ground band gap, usually estimated to be between 1.2 eV and 1.8 eV, which will result in the highest power and efficiency.
전력은 전류와 전압의 곱이므로, 일반적으로 1.2 eV에서 1.8 eV 사이의 중간 지점 밴드 갭이 최고의 전력과 효율을 얻을 수 있을 것으로 추정됩니다.
Figure 8.11 shows one estimate of the impact of band gap on the theoretical maximum efficiency of photovoltaics at both AM0 and AM1.
Figure 8.11은 AM0과 AM1에서 광전지의 이론상 최대 효율에 밴드 갭이 미치는 영향을 추정한 것입니다.
The figure includes band gaps and maximum efficiencies for many of the most promising photovoltaic materials being developed today.
이 그림에는 현재 개발 중인 가장 유망한 광전지 재료들의 밴드 갭과 최대 효율이 포함되어 있습니다.
Notice that the efficiencies in Fig. 8.11 are roughly in the 20–25% range—well below the 49.6% we found when we considered only the losses caused by (a) photons with insufficient energy to push electrons into the conduction band and (b) photons with energy in excess of what is needed to do so.
Fig. 8.11에서 효율은 대략 20-25% 범위에 있습니다.
이는 (a) 전자를 이끌어내기에 충분한 에너지가 없는 광자와 (b) 그렇게 하기에 필요 이상의 에너지를 가진 광자로 인한 손실만을 고려했을 때 찾은 49.6%보다 훨씬 낮습니다.
Other factors that contribute to the drop in theoretical efficiency include:
이론상 효율의 감소에 기여하는 다른 요인들에는 다음이 포함됩니다:
1. Only about half to two-thirds of the full band-gap voltage across the terminals of the solar cell.
2. Recombination of holes and electrons before they can contribute to current flow.
3. Photons that are not absorbed in the cell either because they are reflected off the face of the cell, or because they pass right through the cell, or because they are blocked by the metal conductors that collect current from the top of the cell.
4. Internal resistance within the cell, which dissipates power.
- 태양 전지의 단자 사이에 전체 밴드 갭 전압의 약 절반에서 두 세분의 하나까지만 사용되는 경우.
- 전하가 전류에 기여하기 전에 홀과 전자의 재결합.
- 태양 전지에서 흡수되지 않은 광자로 인한 손실.
이 광자들은 전지 표면에서 반사되거나 전지를 통과하거나, 전지 상단에서 전류를 수집하는 금속 도체에 의해 차단됩니다. - 전지 내부의 내부 저항, 이는 전력을 소모합니다.
8.2.4 The p-n Junction
As long as a solar cell is exposed to photons with energies above the bandgap energy, hole–electron pairs will be created.
태양 전지가 밴드 갭 에너지 이상의 광자에 노출되는 한 홀-전자 쌍이 생성됩니다.
The problem is, of course, that those electrons can fall right back into a hole, causing both charge carriers to disappear.
물론 그러한 전자는 구멍으로 바로 돌아갈 수 있어서 양 극을 모두 사라지게 할 수 있습니다.
To avoid that recombination, electrons in the conduction band must continuously be swept away from holes.
그 재결합을 피하기 위해 conduction band 내에서 전자가 홀에서 계속해서 멀어질 필요가 있습니다.
In PVs this is accomplished by creating a built-in electric field within the semiconductor itself that pushes electrons in one direction and holes in the other.
광전지에서는 반도체 자체 내에 전자를 한 방향으로 밀어내고 구멍을 다른 방향으로 밀어내는 확산 전기장을 만들어 이를 구현합니다.
To create the electric field, two regions are established within the crystal.
전기장을 만들기 위해 crystal 내에서 두 영역을 설정합니다.
On one side of the dividing line separating the regions, pure (intrinsic) silicon is purposely contaminated with very small amounts of a trivalent element from column III of the periodic chart; on the other side, pentavalent atoms from column V are added.
영역을 나누는 선 한 쪽에서 주요한(순수한) 실리콘은 주기율표의 Ⅲ열에서 3가형 원소로 인위적으로 오염되고, 다른 쪽에서 Ⅴ열의 5가 형 원소가 추가됩니다.
Consider the side of the semiconductor that has been doped with a pentavalent element such as phosphorus.
인과 같은 5가 원소로 도핑된 반도체 쪽을 고려해보겠습니다.
Only about 1 phosphorus atom per 1000 silicon atoms is typical.
일반적으로 1000개의 실리콘 원자당 약 1개의 인 원자가 있습니다.
As shown in Fig. 8.12, an atom of the pentavalent impurity forms covalent bonds with four adjacent silicon atoms.
Fig. 8.12에서 보여지듯이 오염된 불순물의 원자는 인접한 네 개의 실리콘 원자와 공유 결합을 형성합니다.
Four of its five electrons are now tightly bound, but the fifth electron is left on its own to roam around the crystal.
다섯 개 전자 중 네 개가 이제 각각 단단히 결합되어 있지만 다섯 번째 전자는 자유롭게 결정 주위를 돌아다니게 됩니다.
When that electron leaves the vicinity of its donor atom, there will remain a +5 donor ion fixed in the matrix, surrounded by only four negative valence electrons.
그 전자가 전자 공여체(donor atoms)원자의 근처를 벗어나면 행렬에는 고정된 +5 전자 공여체 이온(donor atoms)이 남게 되고 이 이온은 단지 네 개의 음전자로 둘러싸여 있습니다.
That is, each donor atom can be represented as a single, fixed, immobile positive charge plus a freely roaming negative charge as shown in Fig. 8.12b.
즉, 각 전자 공여체 원자(donor atoms)는 그림 8.12b에 나와 있는 것처럼 하나의 고정된, 움직이지 않는 양전하와 자유롭게 돌아다니는 음전하로 나타낼 수 있습니다.
Pentavalent i.e., +5 elements donate electrons to their side of the semiconductor so they are called donor atoms.
다섯 개 원소인 +5는 자신의 측면에 전자를 기부하므로 donor atoms 라고 불립니다.
Since there are now negative charges that can move around the crystal, a semiconductor doped with donor atoms is referred to as an “n-type material.”
이제 결정 내에서 움직일 수 있는 음전하가 있으므로 donor atoms 로 도핑된 반도체를 "n-형 물질"이라고 합니다.
On the other side of the semiconductor, silicon is doped with a trivalent element such as boron.
반도체의 다른 쪽에서는 실리콘이 boron같은 3가 형의 원소로 도핑됩니다.
Again the concentration of dopants is small, something on the order of 1 boron atom per 10 million silicon atoms.
다시 한번, 도핑 물질의 농도는 작으며 대략 1000만 실리콘 원자당 1개의 붕소 원자 정도입니다.
These dopant atoms fall into place in the crystal, forming covalent bonds with the adjacent silicon atoms as shown in Fig. 8.13.
이러한 도핑 원자는 결정 내에서 자리를 잡아 그림 8.13에 나와 있는 것처럼 이웃한 실리콘 원자와 공유 결합을 형성합니다.
Since each of these impurity atoms has only three electrons, only three of the covalent bonds are filled, which means that a positively charged hole appears next to its nucleus.
이 도핑 물질의 각 원자는 전자가 세 개만 있기 때문에 공유 결합이 세 개만 채워져 있으므로 원자 핵 옆에 양전하가 나타납니다.
An electron from a neighboring silicon atom can easily move into the hole, so these impurities are referred to as acceptors since they accept electrons.
이웃한 실리콘 원자에서 전자가 쉽게 양 전하로 이동할 수 있기 때문에 이러한 불순물은 전자를 받아들이기 때문에 이들은 받아들이는 원자라고 불립니다.
The filled hole now means there are four negative charges surrounding a +3 nucleus. All four covalent bonds are now filled creating a fixed, immobile net negative charge at each acceptor atom.
채워진 홀로 인해 이제 양전하 네 개가 +3 핵을 둘러싸게 되고, 이로 인해 각 받아들이는 원자에는 고정된, 움직이지 않는 순수한 음전하가 생깁니다.
Meanwhile, each acceptor has created a positively charged hole that is free to move around in the crystal, so this side of the semiconductor is called a p-type material.
한편 각 받아들이기로 인해 움직일 수 있는 양전하가 생겼으므로 이 반도체 측면을 p-형 물질이라고 합니다.
Now, suppose we put an n-type material next to a p-type material forming a junction between them.
이제, n-형 물질을 p-형 물질 옆에 두어 그들 사이에 결합을 형성한다고 가정해 봅시다.
In the n-type material, mobile electrons drift by diffusion across the junction.
In the p-type material, mobile holes drift by diffusion across the junction in the opposite direction.
n-형 물질에서는 이동 전자가 결합을 통해 접합을 횡단합니다.
p-형 물질에서는 이동할 수 있는 양전하가 반대 방향으로 접합을 횡단합니다.
As depicted in Fig. 8.14, when an electron crosses the junction it fills a hole, leaving an immobile, positive charge behind in the n-region, while it creates an immobile, negative charge in the p-region.
그림 8.14에서 보여지듯이 전자가 접합을 횡단하면 홀을 채우게 되며, n-영역에서는 고정된 양전하가 남게 되고, p-영역에서는 고정된 음전하가 생깁니다.
These immobile charged atoms in the p and n regions create an electric field that works against the continued movement of electrons and holes across the junction.
p 및 n 영역의 이 고정된 전하 원자는 전자 및 양전하의 계속적인 이동에 반대하는 전기장을 만들어냅니다.
As the diffusion process continues, the electric field countering that movement increases until eventually (actually, almost instantaneously) all further movement of charged carriers across the junction stops.
확산 과정이 계속됨에 따라, 이동된 전하들이 접합을 횡단하는 것에 대항하는 전기장이 증가하게 되고, 결국 (실제로는 거의 즉시) 접합을 횡단하는 데 필요한 전하 이동이 모두 중단됩니다.
The exposed immobile charges creating the electric field in the vicinity of the junction form what is called a depletion region, meaning that the mobile charges are depleted—gone from this region.
접합 근처에서 전기장을 형성하는 노출된 움직이지 않는 전하는 고갈 영역(depletion region)이라고 불리며, 여기에서 이동 전하들이 사라진 상태입니다.
The width of the depletion region is only about 1 μm and the voltage across it is perhaps 1 V, which means the field strength is about 10,000 V/cm!
depletion region 의 너비는 약 1 μm이며 그것에 걸린 전압은 약 1 V일 것이며, 이것은 전기장의 강도가 약 10,000 V/cm임을 의미합니다!
Following convention, the arrows representing an electric field in Fig. 8.14b start on a positive charge and end on a negative charge.
관습을 따르면 그림 8.14b에서 전기장을 나타내는 화살표는 양전하에서 시작하여 음전하에서 끝납니다.
The arrow, therefore, points in the direction that the field would push a positive charge, which means that it holds the mobile positive holes in the p-region (while it repels the electrons back into the n-region).
따라서 화살표는 양전하를 밀어낼 방향을 가리키며, 이는 이동 양전하들을 p-영역에 유지시킵니다(전자를 n-영역으로 다시 밀어냅니다).
8.2.5 The p-n Junction Diode
Anyone familiar with semiconductors will immediately recognize that what has been described thus far is just a common, conventional p–n junction diode, the characteristics of which are presented in Fig. 8.15.
반도체에 익숙한 사람은 여태까지 설명한 것이 일반적인 p–n 접합 다이오드임을 즉시 알아차리게 될 것입니다.
해당 다이오드의 특성은 그림 8.15에 나와 있습니다.
If we were to apply a voltage Vd across the diode terminals, forward current would flow easily through the diode from the p-side to the n-side; but if we try to send current in the reverse direction, only a very small (≈10−12 A/cm2) reverse saturation current I0 will flow.
만약 다이오드 단자에 전압 Vd를 적용하면, p-쪽에서 n-쪽으로 쉽게 전류가 흐를 것이지만, 반대 방향으로 전류를 보내면 매우 작은(≈10−12 A/cm2 정도의) 역포화 전류 I0만 흐를 것입니다.
This reverse saturation current is the result of thermally generated carriers with the holes being swept into the p-side and the electrons into the n-side.
이 역포화 전류는 열적으로 생성된 캐리어들이 양전하가 p-쪽으로, 전자가 n-쪽으로 밀려가게 되는 결과입니다.
In the forward direction, the voltage drop across the diode is only a few tenths of a volt.
순방향으로는 다이오드에 걸리는 전압은 몇 십 분의 몇 볼트밖에 되지 않습니다.
The symbol for a real diode is shown here as a blackened triangle with a bar; the triangle suggests an arrow, which is a convenient reminder of the direction in which current flows easily.
실제 다이오드의 기호는 여기서 검은색으로 칠해진 삼각형에 막대를 가진 것으로 나타납니다.
삼각형은 화살표를 시사하는데, 이는 전류가 편리하게 흐르는 방향을 편리하게 상기시키는 도구입니다.
The triangle is blackened to distinguish it from an “ideal” diode.
Ideal diodes have no voltage drop across them in the forward direction, and no current at all flows in the reverse direction.
삼각형이 검은색으로 칠해진 것은 "이상적인" 다이오드와 구별하기 위한 것입니다.
이상적인 다이오드는 순방향으로의 전압 강하가 전혀 없으며, 역방향으로는 전류가 흐르지 않습니다.
The voltage–current characteristic curve for the p–n junction diode is described by the following Shockley diode equation:
p–n 접합 다이오드의 전압–전류 특성 곡선은 다음과 같은 Shockley diode 방정식으로 설명됩니다:
Shockley diode
: 적당한 순방향 또는 역방향 바이어스에서 다이오드의 지수 전류 -전압(I-V) 관계를 모델링합니다 .
where Id is the diode current in the direction of the arrow (A), Vd is the voltage across the diode terminals from the p-side to the n-side (V), I0 is the reverse saturation current (A), q is the electron charge (1.602 × 10−19C), k is Boltzmann’s constant (1.381 × 10−23 J/K), and T is the junction temperature (K).
여기서 Id는 화살표 방향으로의 다이오드 전류(A), Vd는 p-쪽에서 n-쪽으로의 다이오드 단자 간 전압(V), I0는 역포화 전류(A), q는 전자 전하(1.602 × 10^−19C), k는 볼츠만 상수(1.381 × 10^−23 J/K), T는 접합 온도(K)입니다.
Substituting the above constants into the exponent of (8.3) gives
상수를 (8.3) 지수에 대입하면 아래와 같습니다.
A junction temperature of 25◦C is often used as a standard, which results in the following diode equation:
25°C에서의 접합 온도를 사용하면 다음과 같은 다이오드 방정식이 됩니다:
Notice how little the voltage drop changes as the diode conducts more and more current, changing by only about 0.06 V as the current increased by a factor of 10.
다이오드가 더 많은 전류를 전도할 때 전압 감소가 얼마나 작은지에 주목해보라, 전류가 10배 증가함에 따라 전압이 약 0.06 V만큼 변하는 것을 볼 수 있습니다.
Often in normal electronic circuit analysis, the diode voltage drop when it is conducting current is assumed to be nominally about 0.6 V, which is quite in line with the above results.
일반적으로 일반적인 전자 회로 분석에서는 다이오드가 전류를 전도할 때 전압 감소가 대략 0.6 V이라고 가정합니다. 이는 위의 결과와 매우 일치합니다.
While the Shockley diode equation (8.3) is appropriate for our purposes, it should be noted that in some circumstances it is modified with an “ideality factor” A, which accounts for different mechanisms responsible for moving carriers across the junction.
Shockley 다이오드 방정식(식 8.3)은 우리의 목적에 적합하지만 어떤 상황에서는 캐리어를 접합을 통해 이동시키는 데 관여하는 다양한 메커니즘을 고려한 "이상화 계수" A로 수정될 수 있습니다.
The resulting equation is then
결과적인 방정식은 아래와 같습니다:
where the ideality factor A is 1 if the transport process is purely diffusion, and A ≈ 2 if it is primarily recombination in the depletion region.
여기서 이상화 계수 A는 전송 프로세스가 순수한 확산인 경우 1이며, 고갈 영역에서 주로 재조합인 경우 A는 대략 2입니다.
8.3 A Generic Photovoltaic Cell
Let us consider what happens in the vicinity of a p–n junction when it is exposed to sunlight.
빛이 노출된 p-n 접합 부근에서 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다.
As photons are absorbed, hole-electron pairs may be formed.
If these mobile charge carriers reach the vicinity of the junction, the electric field in the depletion region will push the holes into the p-side and push the electrons into the n-side, as shown in Fig. 8.16.
광자가 흡수되면 양전자 쌍이 형성될 수 있습니다.
이러한 이동 가능한 전하들이 접합 부근에 도달하면 depletion region의 전기장이 양전자를 p-측으로 밀어 넣고 전자를 n-측으로 밀어 넣습니다.
The p-side accumulates holes and the n-side accumulates electrons, which creates a voltage that can be used to deliver current to a load.
이것은 그림 8.16에 나와 있습니다. p-측에는 양전자가 축적되고 n-측에는 전자가 축적되어 전압이 생성되며 이를 사용하여 부하에 전류를 전달할 수 있습니다.
If electrical contacts are attached to the top and bottom of the cell, electrons will flow out of the n-side into the connecting wire, through the load and back to the p-side as shown in Fig. 8.17.
전기적으로 연결된 두 단자가 셀의 위쪽과 아래쪽에 부착되면 전자는 n-측에서 외부로 흐르게되고, 부하를 통과하여 p-측으로 돌아가게 됩니다(Fig. 8.17).
Since wire cannot conduct holes, it is only the electrons that actually move around the circuit.
전선은 양전자를 전도할 수 없으므로 회로 전체에서 움직이는 것은 전자뿐입니다.
When they reach the p-side, they recombine with holes completing the circuit.
그들이 p-측에 도달하면 양전자와 재결합하여 전류가 완료됩니다.
By convention, positive current flows in the direction opposite to electron flow, so the current arrow in the figure shows current going from the p-side to the load and back into the n-side.
관행상, 양전류는 전자 흐름과 반대 방향으로 흐르므로 도표의 전류 화살표는 p-측에서 부하로 이동하고 n-측으로 돌아가는 방향을 보여줍니다.
8.3.1 The Simplest Equivalent Circuit for a Photovoltaic Cell
A simple equivalent circuit model for a photovoltaic cell consists of a real diode in parallel with an ideal current source as shown in Fig. 8.18.
태양전지 셀의 간단한 등가 회로 모델은 그림 8.18에 나타난 것처럼 실제 다이오드와 병렬에 이상적인 전류원으로 구성됩니다.
The ideal current source delivers current in proportion to the solar flux to which it is exposed.
이상적인 전류원은 노출된 태양 플럭스에 비례하여 전류를 제공합니다.
There are two conditions of particular interest for the actual PV and for its equivalent circuit.
실제 태양전지와 해당 등가 회로에 대한 특별한 두 가지 조건이 있습니다.
As shown in Fig. 8.19, they are: (1) the current that flows when the terminals are shorted together (the short-circuit current, ISC) and (2) the voltage across the terminals when the leads are left open (the open-circuit voltage, VOC).
그림 8.19에 나와 있는 것처럼 이들은 (1) 단락된 터미널에서 흐르는 전류(단락 전류, ISC)와 (2) 리드를 열어둘 때 터미널 사이의 전압(개회전 전압, VOC)입니다.
When the leads of the equivalent circuit for the PV cell are shorted together, no current flows in the (real) diode since Vd = 0, so all of the current from the ideal source flows through the shorted leads.
PV 셀의 등가 회로의 리드가 단락되면 Vd = 0이므로 (실제) 다이오드에서 전류가 흐르지 않습니다.
Since that short-circuit current must equal ISC, the magnitude of the ideal current source itself must be equal to ISC.
따라서 이상적인 전류원에서 나오는 전류의 크기는 ISC와 동일해야 합니다.
단락회로, 개방회로 개념
: https://blog.naver.com/jsh110112/222146024491
Now we can write a voltage and current equation for the equivalent circuit of the PV cell shown in Fig. 8.18b.
이제 그림 8.18b에 나와 있는 태양전지 셀의 등가 회로에 대한 전압 및 전류 방정식을 작성할 수 있습니다.
Start with
and then substitute (8.3) into (8.7) to get
It is interesting to note that the second term in (8.8) is just the diode equation with a negative sign.
흥미로운 점은 (8.8)의 두 번째 항이 부호가 반전된 다이오드 방정식일 뿐이라는 것입니다.
That means that a plot of (8.8) is just ISC added to the diode curve of Fig. 8.15c turned upside-down.
이것은 (8.8)의 플로트가 그림 8.15c의 다이오드 곡선에 ISC가 추가되어 뒤집힌 것임을 의미합니다.
Figure 8.20 shows the current–voltage relationship for a PV cell when it is dark (no illumination) and light (illuminated) based on (8.8).
그림 8.20은 (8.8)을 기반으로 어두운 상태(조명 없음)와 밝은 상태(조명)에서 태양전지 셀의 전류-전압 관계를 보여줍니다.
When the leads from the PV cell are left open, I = 0 and we can solve (8.8) for the open-circuit voltage VOC :
태양전지 셀의 리드가 열려 있을 때, I = 0이므로 (8.8)을 열회로 전압 VOC에 대해 풀 수 있습니다:
And at 25◦C, (8.8) and (8.9) become
In both of these equations, short circuit current, ISC, is directly proportional to solar insolation, which means that we can now quite easily plot sets of PV current–voltage curves for varying sunlight.
이러한 두 방정식에서 단락 회로 전류 ISC는 태양 일사량과 직접 비례하므로 이제 다양한 햇볕에 대한 PV 전류-전압 곡선 집합을 비교적 쉽게 그릴 수 있습니다.
Also, quite often laboratory specifications for the performance of photovoltaics are given per cm2 of junction area, in which case the currents in the above equations are written as current densities.
또한 꽤 자주 태양전지의 성능에 대한 실험실 사양은 접합 면적당으로 제공되므로 위의 방정식에서 전류가 전류 밀도로 표시됩니다.
Both of these points are illustrated in the following example.
이 두 가지 점은 다음 예에서 설명합니다.
8.3.2 A More Accurate Equivalent Circuit for a PV Cell
There are times when a more complex PV equivalent circuit than the one shown in Fig. 8.18 is needed.
8.18에 표시된 것보다 복잡한 PV 등가 회로가 필요한 경우가 있습니다.
For example, consider the impact of shading on a string of cells wired in series (Fig. 8.21 shows two such cells).
예를 들어, 일렬로 연결된 일련의 셀에 그림 8.21에 나와 있는 것처럼 그림자가 덮인 경우를 생각해 보십시오.
If any cell in the string is in the dark (shaded), it produces no current.
일렬로 연결된 셀 중 하나라도 어두우면(그림자가 있으면) 해당 셀은 전류를 생성하지 않습니다.
In our simplified equivalent circuit for the shaded cell, the current through that cell’s current source is zero and its diode is back biased so it doesn’t pass any current either (other than a tiny amount of reverse saturation current).
우리가 간소화된 등가 회로에서 어두운 셀의 경우, 해당 셀의 전류 공급원을 통한 전류는 제로이고 그의 다이오드는 역 편향되어 전류를 전달하지 않습니다(역 포화 전류의 작은 양을 제외하고).
This means that the simple equivalent circuit suggests that no power will be delivered to a load if any of its cells are shaded.
이는 단순한 등가 회로가 어떠한 전력도 로드에 전달하지 않을 것으로 보인다는 것을 의미합니다.
While it is true that PV modules are very sensitive to shading, the situation is not quite as bad as that.
PV 모듈은 그림자에 매우 민감하지만 상황은 그렇게 나쁘지 않습니다.
So, we need a more complex model if we are going to be able to deal with realities such as the shading problem.
따라서 우리는 그림자 문제와 같은 현실을 다룰 수 있도록 좀 더 복잡한 모델이 필요합니다.
Figure 8.22 shows a PV equivalent circuit that includes some parallel leakage resistance Rp.
그림 8.22는 일부 병렬 유출 저항 Rp를 포함하는 PV 등가 회로를 보여줍니다.
The ideal current source ISC in this case delivers current to the diode, the parallel resistance, and the load:
이 경우 이상적인 전류 소스 ISC는 다이오드, 병렬 저항 및 로드에 전류를 전달합니다:
The term in the parentheses of (8.12) is the same current that we had for the simple model.
(8.12)의 괄호 안의 항목은 우리가 간단한 모델에서 가진 전류와 동일합니다.
So, what (8.12) tells us is that at any given voltage, the parallel leakage resistance causes load current for the ideal model to be decreased by V/Rp as is shown in Fig. 8.23.
그러므로 (8.12)는 특정 전압에서 병렬 유출 저항으로 인해 이상적인 모델의 부하 전류가 V/Rp로 감소되는 것을 보여줍니다(그림 8.23 참조).
For a cell to have losses of less than 1% due to its parallel resistance, RP should be greater than about
셀이 병렬 저항으로 인한 손실이 1% 미만이 되려면 RP가 보다 커야합니다.
For a large cell, ISC might be around 7 A and VOC might be about 0.6 V, which says its parallel resistance should be greater than about 9 Ω .
대형 셀의 경우 ISC는 약 7 A이고 VOC는 약 0.6 V일 수 있으며, 이는 병렬 저항이 약 9 Ω보다 커야한다는 것을 나타냅니다.
An even better equivalent circuit will include series resistance as well as parallel resistance.
더 나은 등가 회로는 직렬 저항과 병렬 저항을 포함할 것입니다.
Before we can develop that model, consider Fig. 8.24 in which the original PV equivalent circuit has been modified to just include some series resistance, RS.
그 모델을 개발하기 전에 원래의 태양전지 등가 회로를 수정하여 몇 가지 직렬 저항인 RS만을 포함하는 Fig. 8.24를 고려해보세요.
Some of this might be contact resistance associated with the bond between the cell and its wire leads, and some might be due to the resistance of the semiconductor itself.
이는 셀과 와이어 리드 간의 결합과 관련된 접촉 저항과 반도체 자체의 저항으로 인한 것입니다.
To analyze Fig. 8.24, start with the simple equivalent circuit (8.8)
and then add the impact of RS ,
Equation (8.15) can be interpreted as the original PV I –V curve with the voltage at any given current shifted to the left by ΔV = IRS as shown in Fig. 8.25.
방정식(8.15)는 주어진 전류에서 원래의 태양전지 I-V 곡선을 나타내며, 이 때 어떤 전압이 왼쪽으로 Δ V = IRS만큼 이동한 것으로 해석될 수 있습니다, Fig. 8.25에서 보여집니다.
For a cell to have less than 1% losses due to the series resistance, RS will need to be less than about
셀이 직렬 저항으로 인한 손실이 1% 미만이 되려면 RS는 약 다음의 값이어야 합니다.
Finally, let us generalize the PV equivalent circuit by including both series and parallel resistances as shown in Fig. 8.26.
마지막으로 PV 등가 회로를 일반화하여 시리즈 및 병렬 저항을 포함한 것을 Fig. 8.26에 표시되어 있습니다.
We can write the following equation for current and voltage:
다음과 같은 전류 및 전압 방정식을 작성할 수 있습니다:
Under the standard assumption of a 25◦C cell temperature, (8.17) becomes
Unfortunately, (8.18) is a complex equation for which there is no explicit solution for either voltage V or current I .
유감스럽게도 (8.18)은 전압 V 또는 전류 I에 대한 명시적인 해결책이 없는 복잡한 방정식입니다.
A spreadsheet solution, however, is fairly straightforward and has the extra advantage of enabling a graph of I versus V to be obtained easily.
그러나 스프레드시트 솔루션은 꽤 직관적이며 I 대비 V의 그래프를 쉽게 얻을 수 있는 추가적인 이점이 있습니다.
The approach is based on incrementing values of diode voltage, Vd , in the spreadsheet.
이 방법은 스프레드시트에서 다이오드 전압 Vd 값을 증가시키는 것에 기반하고 있습니다.
For each value of Vd , corresponding values of current I and voltage V can easily be found.
각 Vd 값에 대응하는 전류 I 및 전압 V의 값을 쉽게 찾을 수 있습니다.
Using the sign convention shown in Fig. 8.26 and applying Kirchhoff’s Current Law to the node above the diode, we can write
Fig. 8.26에 표시된 부호 규칙을 사용하고 다이오드 위의 노드에 키르흐호프 전류 법칙을 적용하여 다음과 같이 작성할 수 있습니다:
Rearranging, and substituting the Shockley diode equation (8.5) at 25◦C gives
With an assumed value of Vd in a spreadsheet, current I can be found from (8.20). Voltage across an individual cell then can be found from
Vd 값이 스프레드시트에 가정되면 (8.20)에서 전류 I를 찾을 수 있습니다. 그런 다음 개별 셀의 전압은 다음과 같이 찾을 수 있습니다:
A plot of (8.18) obtained this way for an equivalent circuit with RS = 0.05Ω and RP = 1Ω is shown in Fig. 8.27.
이 방법으로 RS = 0.05 Ω 및 RP = 1 Ω 을 가진 동등 회로에 대한 (8.18)의 플롯이 그림 8.27에 나타나 있습니다.
As might be expected, the graph combines features of Fig. 8.23 and 8.25.
예상대로 그래프는 그림 8.23과 8.25의 특징을 결합합니다.
8.4 From Cells to Modules to Arrays
Since an individual cell produces only about 0.5 V, it is a rare application for which just a single cell is of any use.
한 개의 태양전지 셀은 약 0.5V만 생성하기 때문에, 하나의 셀만 사용 가능한 특수한 응용 프로그램은 흔하지 않습니다.
Instead, the basic building block for PV applications is a module consisting of a number of pre-wired cells in series, all encased in tough, weather-resistant packages.
대신에, PV 응용 프로그램의 기본 구성 요소는 강력하고 날씨에 강한 패키지에 포함된 여러 개의 사전 연결된 셀로 구성된 모듈입니다.
A typical module has 36 cells in series and is often designated as a “12-V module” even though it is capable of delivering much higher voltages than that.
전형적인 모듈은 36개의 셀을 직렬로 연결하고 있으며 종종 "12-V 모듈"로 지칭됩니다. 실제로 이 모듈은 이보다 훨씬 높은 전압을 전달할 수 있습니다.
Some 12-V modules have only 33 cells, which, as will be seen later may, be desirable in certain very simple battery charging systems.
일부 12-V 모듈은 33개의 셀만 가지고 있는데, 나중에 언급되겠지만 특정한 간단한 배터리 충전 시스템에서는 이것이 바람직할 수 있습니다.
Large 72-cell modules are now quite common, some of which have all of the cells wired in series, in which case they are referred to as 24-V modules.
큰 72-셀 모듈은 현재 꽤 흔하며, 일부는 모든 셀을 직렬로 연결하고 있어 "24-V 모듈"로 지칭됩니다.
Some 72-cell modules can be field-wired to act either as 24-V modules with all 72 cells in series or as 12-V modules with two parallel strings having 36 series cells in each.
일부 72-셀 모듈은 모든 72개 셀을 직렬로 연결하거나 각각에 36개의 연속된 셀이 있는 12-V 모듈로 동작하도록 현장에서 배선할 수 있습니다.
Multiple modules, in turn, can be wired in series to increase voltage and in parallel to increase current, the product of which is power.
여러 모듈은 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결되거나 전류를 증가시키기 위해 병렬로 연결될 수 있으며, 그 결과로 얻는 전력이 됩니다.
An important element in PV system design is deciding how many modules should be connected in series and how many in parallel to deliver whatever energy is needed.
PV 시스템 설계에서 중요한 요소는 필요한 에너지를 전달하기 위해 몇 개의 모듈이 직렬로 연결되고 몇 개가 병렬로 연결되어야 하는지 결정하는 것입니다.
Such combinations of modules are referred to as an array. Figure 8.28 shows this distinction between cells, modules, and arrays.
이러한 모듈의 조합을 "어레이"라고 합니다. 그림 8.28은 셀, 모듈 및 어레이 간의 차이점을 보여줍니다.
8.4.1 From Cells to a Module
When photovoltaics are wired in series, they all carry the same current, and at any given current their voltages add as shown in Fig. 8.29.
태양전지가 직렬로 연결되면 모든 셀이 동일한 전류를 흘리며, 특정 전류에서 그들의 전압이 더해집니다(그림 8.29 참조).
That means we can continue the spreadsheet solution of (8.18) to find an overall module voltage Vmodule by multiplying (8.21) by the number of cells in the module n.
이는 (8.18)의 전체 모듈 전압 Vmodule을 셀의 수 n과 곱함으로써 계속하여 스프레드시트 솔루션을 찾을 수 있다는 것을 의미합니다.
8.4.2 From Modules to Arrays
Modules can be wired in series to increase voltage, and in parallel to increase current.
모듈은 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결되거나, 전류를 증가시키기 위해 병렬로 연결될 수 있습니다.
Arrays are made up of some combination of series and parallel modules to increase power.
어레이는 전력을 증가시키기 위해 일련의 직렬 및 병렬 모듈의 조합으로 이루어집니다.
For modules in series, the I–V curves are simply added along the voltage axis.
직렬로 연결된 모듈의 경우 I-V 곡선은 전압 축을 따라 단순히 추가됩니다.
That is, at any given current (which flows through each of the modules), the total voltage is just the sum of the individual module voltages as is suggested in Fig. 8.30.
즉, 특정 전류에서(각 모듈을 통과하는) 전체 전압은 각 개별 모듈의 전압의 합입니다(그림 8.30 참조).
For modules in parallel, the same voltage is across each module and the total current is the sum of the currents.
병렬로 연결된 모듈의 경우 동일한 전압이 각 모듈에 걸리며 전체 전류는 전류의 합입니다.
That is, at any given voltage, the I – V curve of the parallel combination is just the sum of the individual module currents at that voltage.
다시 말해, 특정 전압에서 병렬 조합의 I-V 곡선은 해당 전압에서 각 개별 모듈의 전류의 합입니다.
Figure 8.31 shows the I – V curve for three modules in parallel.
그림 8.31은 병렬로 연결된 세 모듈의 I-V 곡선을 보여줍니다.
When high power is needed, the array will usually consist of a combination of series and parallel modules for which the total I–V curve is the sum of the individual module I–V curves.
높은 전력이 필요한 경우 어레이는 전체 I-V 곡선이 개별 모듈 I-V 곡선의 합인 일련의 직렬 및 병렬 모듈의 조합으로 이루어질 것입니다.
There are two ways to imagine wiring a series/parallel combination of modules: The series modules may be wired as strings, and the strings wired in parallel as in Fig. 8.32a, or the parallel modules may be wired together first and those units combined in series as in 8.32b.
직렬 모듈을 스트링으로 연결하고 이러한 스트링을 병렬로 연결하거나(그림 8.32a 참조), 병렬 모듈을 먼저 연결하고 이러한 유닛을 직렬로 결합하는 두 가지 방법이 있습니다(그림 8.32b 참조).
The total I–V curve is just the sum of the individual module curves, which is the same in either case when everything is working right.
전체 I-V 곡선은 올바르게 작동할 때 양쪽 경우 모두 개별 모듈 곡선의 합과 동일합니다.
There is a reason, however, to prefer the wiring of strings in parallel (Fig. 8.32a).
그러나 스트링을 병렬로 연결하는 방식을 선호하는 이유가 있습니다.
If an entire string is removed from service for some reason, the array can still deliver whatever voltage is needed by the load, though the current is diminished, which is not the case when a parallel group of modules is removed.
만약 어떤 이유로 전체 스트링이 사용 중지된다면, 어려운 동작이 필요한 적어도 전압은 제공할 수 있지만, 전류는 줄어듭니다. 그러나 병렬 모듈 그룹이 제거되는 경우에는 그렇지 않습니다.
8.5 The PV I-V Curve Under Standard Test Conditions (STC)
Consider, for the moment, a single PV module that you want to connect to some sort of a load (Fig. 8.33).
당분간 하나의 태양전지 모듈을 고려해 보겠습니다. 이 모듈을 어떤 부하에 연결하려고 합니다(그림 8.33 참조).
The load might be a dc motor driving a pump or it might be a battery, for example.
부하는 예를 들어 펌프를 구동하는 직류 모터 또는 배터리일 수 있습니다.
Before the load is connected, the module sitting in the sun will produce an open-circuit voltage VOC, but no current will flow.
부하가 연결되기 전에 모듈은 햇볕에 노출되어 열린 회로 전압 (VOC)을 생성하지만 전류는 흐르지 않습니다.
If the terminals of the module are shorted together (which doesn’t hurt the module at all, by the way), the short-circuit current ISC will flow, but the output voltage will be zero.
모듈의 단자가 단락된다면(이는 모듈에 아무런 피해를 주지 않습니다), 모듈의 단락 회로 전류 (ISC)가 흐를 것이지만 출력 전압은 0일 것입니다.
In both cases, since power is the product of current and voltage, no power is delivered by the module and no power is received by the load.
이 경우 전력은 전류와 전압의 곱이기 때문에, 양쪽 모두에서 전력은 전달되지 않으며 부하가 전력을 받지 않습니다.
When the load is actually connected, some combination of current and voltage will result and power will be delivered.
부하가 실제로 연결되면 일정한 전류와 전압의 조합이 발생하고 전력이 전달됩니다.
To figure out how much power, we have to consider the I – V characteristic curve of the module as well as the I – V characteristic curve of the load.
얼마나 많은 전력이 전달되는지 알아보려면 모듈의 I-V 특성 곡선뿐만 아니라 부하의 I-V 특성 곡선도 고려해야 합니다.
Figure 8.34 shows a generic I –V curve for a PV module, identifying sev- eral key parameters including the open-circuit voltage VOC and the short-circuit current ISC.
그림 8.34는 PV 모듈의 일반적인 I-V 곡선을 보여주며 개방 회로 전압 (VOC) 및 단락 회로 전류 (ISC)와 같은 몇 가지 주요 매개 변수를 식별합니다.
Also shown is the product of voltage and current, that is, power delivered by the module.
또한 모듈에서 전달되는 전력인 전압과 전류의 곱도 표시됩니다.
At the two ends of the I – V curve, the output power is zero since either current or voltage is zero at those points.
I-V 곡선의 두 끝에서는 전류 또는 전압 중 하나가 제로이기 때문에 출력 전력은 제로입니다.
The maximum power point (MPP) is that spot near the knee of the I – V curve at which the product of current and voltage reaches its maximum.
최대 전력 지점 (MPP)은 전류와 전압의 곱이 최대가 되는 I-V 곡선의 무릎 근처에있는 지점입니다.
The voltage and current at the MPP are sometimes designated as Vm and Im for the general case and designated VR and IR (for rated voltage and rated current) under the special circumstances that correspond to idealized test conditions.
MPP에서의 전압과 전류는 일반적인 경우에는 Vm 및 Im으로 지정되며 이상적인 시험 조건에 해당하는 특별한 상황에서는 VR 및 IR (등급 전압 및 등급 전류)으로 지정됩니다.
Another way to visualize the location of the maximum power point is by imagining trying to find the biggest possible rectangle that will fit beneath the I – V curve.
최대 전력 지점의 위치를 시각화하는 또 다른 방법은 I-V 곡선 아래에 맞을 수있는 가장 큰 직사각형을 찾으려고 시도하는 것입니다.
As shown in Fig. 8.35, the sides of the rectangle correspond to current and voltage, so its area is power.
그림 8.35에 표시된 것처럼 직사각형의 변은 전류와 전압에 해당하므로 그 면적은 전력입니다.
Another quantity that is often used to characterize module performance is the fill factor (FF).
모듈 성능을 특성화하는 데 자주 사용되는 다른 양은 채움 계수 (Fill Factor, FF)입니다.
The fill factor is the ratio of the power at the maximum power point to the product of VO C and IS C , so FF can be visualized as the ratio of two rectangular areas, as is suggested in Fig. 8.35.
채움 계수는 최대 전력 지점에서의 전력을 VO C와 IS C의 곱으로 나눈 비율이므로 FF는 두 직사각형 영역의 비율로 시각화 될 수 있습니다.
Fill factors around 70–75% for crystalline silicon solar modules are typical, while for multijunction amorphous-Si modules, it is closer to 50–60%.
결정질 태양 전지 모듈의 경우 일반적으로 70-75 % 정도이며, 다층 비정질 Si 모듈의 경우 50-60 % 정도입니다.
Since PV I–V curves shift all around as the amount of insolation changes and as the temperature of the cells varies, standard test conditions (STC) have been established to enable fair comparisons of one module to another.
PV I-V 곡선은 일사량이 변하고 셀의 온도가 변할 때마다 전체적으로 이동하기 때문에 모듈 간에 공정한 비교를 가능하게 하기 위해 표준 시험 조건 (STC)이 정해졌습니다.
Those test conditions include a solar irradiance of 1 kW/m2 (1 sun) with spectral distribution shown in Fig. 8.10, corresponding to an air mass ratio of 1.5 (AM 1.5).
이러한 시험 조건에는 태양 휘도가 1 kW/m2 (1 sun)이며 그 스펙트럼 분포가 그림 8.10에 표시된 것과 같은 것이 포함되어 있습니다, 이는 에어 매스 비율이 1.5 (AM 1.5)에 해당합니다.
The standard cell temperature for testing purposes is 25◦(it is important to note that 25◦ is cell temperature, not ambient temperature).
테스트 목적의 표준 셀 온도는 25°C입니다 (25°C는 주의적으로 환경 온도가 아닌 셀 온도임에 유의하는 것이 중요합니다).
Manufacturers always provide performance data under these operating conditions, some examples of which are shown in Table 8.3.
제조업체들은 항상 이러한 운영 조건 하에서의 성능 데이터를 제공하며, 이에 대한 몇 가지 예시가 표 8.3에 표시되어 있습니다.
The key parameter for a module is its rated power; to help us remember that it is dc power measured under standard test conditions, it has been identified in Table 8.3 as PDC,STC.
모듈의 주요 매개 변수는 등급 전력입니다; 이것은 표준 시험 조건 하에서 측정 된 DC 전력임을 기억하기 위해 표 8.3에서 PDC,STC로 표시되었습니다.
Later we’ll learn how to adjust rated power to account for temperature effects as well as see how to adjust it to give us an estimate of the actual ac power that the module and inverter combination will deliver.
나중에는 등급 전력을 온도 효과를 고려하기 위해 조정하고, 모듈 및 인버터 조합이 실제 AC 전력을 얼마나 전달할지를 예상하기 위해 조정하는 방법을 배우게 될 것입니다.
8.6 Impacts of Temperature and Insolation on I-V Curves
Manufacturers will often provide I –V curves that show how the curves shift as insolation and cell temperature changes.
제조업체들은 종종 일사량과 셀 온도의 변화에 따라 곡선이 어떻게 변하는지를 나타내는 I-V 곡선을 제공합니다.
Figure 8.36 shows examples for the Kyocera 120-W multicrystal-silicon module described in Table 8.3.
그림 8.36은 표 8.3에서 설명된 Kyocera 120-W multicrystal-silicon 모듈의 예제를 보여줍니다.
Notice as insolation drops, short-circuit current drops in direct proportion.
일사량이 낮아지면 단락 전류가 비례적으로 감소하는 것을 알 수 있습니다.
Cutting insolation in half, for example, drops ISC by half.
예를 들어 일사량을 절반으로 줄이면 ISC도 절반으로 감소합니다.
Decreasing insolation also reduces VOC, but it does so following a logarithmic relationship that results in relatively modest changes in VOC.
일사량을 감소시키면 VOC도 감소하지만 이는 상대적으로 심한 변화를 일으키지 않는 로그함수적인 관계를 따릅니다.
As can be seen in Fig. 8.36, as cell temperature increases, the open-circuit voltage decreases substantially while the short-circuit current increases only slightly.
그림 8.36에서 볼 수 있듯이 셀 온도가 증가함에 따라 개회로 전압은 상당히 감소하고 단락 전류는 약간 증가합니다.
Photovoltaics, perhaps surprisingly, therefore perform better on cold, clear days than hot ones.
놀랍게도, 태양 전지는 따라서 추운 맑은 날에 더 잘 작동합니다.
For crystalline silicon cells, VOC drops by about 0.37% for each degree Celsius increase in temperature and ISC increases by approximately 0.05%.
결정질 실리콘 셀의 경우, 온도가 1도 증가할 때마다 VOC가 약 0.37% 감소하고 ISC가 약 0.05% 증가합니다.
The net result when cells heat up is the MPP slides slightly upward and toward the left with a decrease in maximum power available of about 0.5%/◦C.
셀이 더워질 때의 순 결과는 MPP가 약 0.5%/°C 감소하면서 약간 위로 올라가고 왼쪽으로 이동한다는 것입니다.
Given this significant shift in performance as cell temperature changes, it should be quite apparent that temperature needs to be included in any estimate of module performance.
이러한 셀 온도의 변화로 성능이 크게 변하므로 모듈 성능을 추정할 때 온도를 고려해야 함이 명백합니다.
Cells vary in temperature not only because ambient temperatures change, but also because insolation on the cells changes.
셀의 온도는 주변 온도가 변하는 것뿐만 아니라 셀에 조사되는 일사량이 변화하기 때문에도 변합니다.
Since only a small fraction of the insolation hitting a module is converted to electricity and carried away, most of that incident energy is absorbed and converted to heat.
모듈에 도달하는 일사량의 작은 부분만 전기로 변환되고 나머지는 흡수되어 열로 변환됩니다.
To help system designers account for changes in cell performance with temperature, manufacturers often provide an indicator called the NOCT, which stands for nominal operating cell temperature.
셀의 성능 변화를 설계자들이 고려할 수 있게 하기 위해 제조업체들은 종종 NOCT라는 지표를 제공합며, NOCT는 명목 작동 셀 온도(nominal operating cell temperature)의 약어 입니다.
The NOCT is cell temperature in a module when ambient is 20◦C, solar irradiation is 0.8 kW/m2, and windspeed is 1 m/s.
주변 기온이 20℃이고 일사량이 0.8 kW/m2이며 풍속이 1 m/s인 상태에서의 셀 온도를 나타냅니다.
To account for other ambient conditions, the following expression may be used:
다른 주변 조건을 고려하기 위해 다음과 같은 식을 사용할 수 있습니다:
where Tcell is cell temperature (◦C), Tamb is ambient temperature, and S is solar insolation (kW/m^2).
When the NOCT is not given, another approach to estimating cell temperature is based on the following:
where γ is a proportionality factor that depends somewhat on windspeed and how well ventilated the modules are when installed.
식에서 γ 는 풍속과 모듈의 배치에 따라 어느 정도 영향을 받는 비례 상수입니다.
Typical values of γ range between 25◦C and 35◦C; that is, in 1 sun of insolation, cells tend to be 25–35◦C hotter than their environment.
γ 의 일반적인 값은 25℃에서 35℃ 범위에 있습니다. 즉, 1 sun의 일사량에서 셀은 주변 환경보다 약 25~35℃ 높아집니다.
8.7 Shading Impacts on I-V Curves
The output of a PV module can be reduced dramatically when even a small portion of it is shaded.
PV 모듈의 출력은 조그마한 부분이 그림자에 가려져도 급격하게 감소할 수 있습니다.
Unless special efforts are made to compensate for shade problems, even a single shaded cell in a long string of cells can easily cut output power by more than half.
그림자 문제에 대한 특별한 노력을 기울이지 않는 한, 긴 열의 셀 중 하나에 그림자가 들어가도 출력 전력이 절반 이상으로 줄어들 수 있습니다.
External diodes, purposely added by the PV manufacturer or by the system designer, can help preserve the performance of PV modules.
태양광 모듈 제조업체나 시스템 디자이너에 의해 고의로 추가된 외부 다이오드는 태양광 모듈의 성능을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
The main purpose for such diodes is to mitigate the impacts of shading on PV I –V curves.
주된 목적은 PV I-V 곡선의 그림자 영향을 완화하는 것입니다.
Such diodes are usually added in parallel with modules or blocks of cells within a module.
이러한 다이오드는 일반적으로 모듈이나 모듈 내의 셀 블록과 병렬로 추가됩니다.
8.7.1 Physics of Shading
To help understand this important shading phenomenon, consider Fig. 8.37 in which an n-cell module with current I and output voltage V shows one cell separated from the others (shown as the top cell, though it can be any cell in the string).
이 중요한 그림자 현상을 이해하기 위해, 그림 8.37을 살펴보겠습니다. 여기서 n개의 셀로 이루어진 모듈의 전류를 I, 출력 전압을 V로 나타냅니다. 하나의 셀이 다른 셀들과 분리되어 있는 경우를 고려해봅시다(이 셀은 맨 위에 표시되어 있지만, 실제로는 string에서 아무 셀이나 될 수 있습니다).
The equivalent circuit of the top cell has been drawn using Fig. 8.26, while the other (n − 1) cells in the string are shown as just a module with current I and output voltage Vn−1.
상단 셀의 동등 회로는 그림 8.26을 사용하여 그려졌으며, 문자열의 다른 (n-1)개의 셀은 전류 I와 출력 전압 Vn−1을 가진 모듈로 표시됩니다.
In Fig. 8.37a, all of the cells are in the sun and since they are in series, the same current I flows through each of them.
그림 8.37a에서, 모든 셀이 태양에 노출되어 있으며, 연속으로 연결되어 있기 때문에 동일한 전류 I가 각각의 셀을 통해 흐릅니다.
In Fig. 8.37b, however, the top cell is shaded and its current source ISC has been reduced to zero.
그러나 그림 8.37b에서 상단 셀은 그림자에 가려져 있으며, 해당 셀의 전류원 ISC가 0으로 줄어들었습니다.
The voltage drop across RP as current flows through it causes the diode to be reverse biased, so the diode current is also (essentially) zero.
RP를 통해 전류가 흐르면서 발생하는 전압 하강으로 인해 다이오드는 역방향 바이어스가 걸리게 되어, 다이오드 전류 또한 (본질적으로) 0입니다.
That means the entire current flowing through the module must travel through both RP and RS in the shaded cell on its way to the load. That means the top cell, instead of adding to the output voltage, actually reduces it.
이는 모듈을 통해 흐르는 전체 전류가 그림자에 있는 셀에서부터 부하로 향하기 위해 RP와 RS를 동시에 통과해야 한다는 것을 의미합니다. 이것은 맨 위 셀이 출력 전압에 기여하는 대신 실제로 전압을 줄인다는 것을 의미합니다.
Consider the case when the bottom n − 1 cells still have full sun and still some how carry their original current I so they will still produce their original voltage Vn−1.
바닥에 있는 n-1개의 셀이 여전히 완전한 태양 빛을 받고 원래의 전류 I를 어떻게든 유지하는 경우를 고려해 봅시다.
따라서 이들은 여전히 원래의 전압 Vn-1을 생성할 것입니다.
This means that the output voltage of the entire module VSH with one cell shaded will drop to
이것은 하나의 셀이 그림자에 있을 때 전체 모듈의 출력 전압 VSH가 감소할 것을 의미합니다.
With all n cells in the sun and carrying I , the output voltage was V so the voltage of the bottom n − 1 cells will be
모든 n개의 셀이 태양 빛을 받고 I를 운반하는 상태에서 출력 전압은 V이므로, 바닥의 n - 1개 셀의 전압은 V - VSH가 될 것입니다.
The drop in voltage ΔV at any given current I , caused by the shaded cell, is given by
어두워진 셀에 의해 유발된 주어진 전류 I에서의 전압 하락 ΔV는 다음과 같이 주어집니다.
Since the parallel resistance RP is so much greater than the series resistance RS , (8.30) simplifies to
RP가 시리즈 저항 RS보다 훨씬 크기 때문에 (8.30)은 다음과 같이 단순화됩니다.
At any given current, the I –V curve for the module with one shaded cell drops by ΔV.
The huge impact this can have is illustrated in Fig. 8.38.
한 개의 그림자가 들어간 셀이 있는 모듈의 I-V 곡선은 어떤 특정한 전류에서 ΔV 만큼 떨어집니다.
이것이 어떤 엄청난 영향을 미칠 수 있는지는 그림 8.38에서 보여집니다.
The procedures demonstrated in Examples 8.4 and 8.6 can be extended to develop I –V curves under various conditions of shading.
예제 8.4와 8.6에서 시연된 절차는 다양한 그림자 조건 하에서의 I-V 곡선을 개발하는 데 확장될 수 있습니다.
Figure 8.39 shows such curves for the example module under full-sun conditions and with one cell 50% shaded, one cell completely shaded, and two cells completely shaded.
그림 8.39는 예제 모듈이 완전한 햇빛 조건과 한 셀이 50% 그림자에 노출된 상태, 한 셀이 완전히 그림자에 가려진 상태, 그리고 두 셀이 완전히 그림자에 가려진 상태에서의 곡선을 보여줍니다.
Also shown on the graph is a dashed vertical line at 13 V, which is a typical operating voltage for a module charging a 12-V battery.
또한 그래프에는 13V에서의 점선이 그려져 있는데, 이것은 12V 배터리를 충전하는 모듈의 전형적인 작동 전압입니다.
The reduction in charging current for even modest amounts of shading is severe.
그림자가 조금만 노출되어도 충전 전류의 감소가 심각합니다.
With just one cell shaded out of 36 in the module, the power delivered to the battery is decreased by about two-thirds!
모듈 중 하나의 셀만 그림자에 가려져 있어도 배터리로 전달되는 전력이 약 3분의 2 정도 줄어듭니다!
8.7.2 Bypass Diodes for Shade Mitigation
Example 8.6 shows not only how drastically shading can shift the I –V curve, but also how local, potentially damaging hot spots can be created in shaded cells.
예제 8.6은 그림자가 I-V 곡선을 어떻게 극적으로 이동시킬 수 있는지만 보여주는 것이 아니라, 그림자가 가려진 셀에서 지역적으로 손상을 입힐 수 있는 고열 지점을 어떻게 생성할 수 있는지도 보여줍니다.
Figure 8.40 shows a typical situation. In Fig. 8.40a a solar cell in full sun operating in its normal range contributes about 0.5 V to the voltage output of the module, but in the equivalent circuit shown in 8.40b a shaded cell experiences a drop as current is diverted through the parallel and series resistances.
그림 8.40은 전형적인 상황을 보여줍니다. 8.40a에서 완전한 햇빛에 노출된 태양전지는 정상 범위에서 작동하여 모듈의 전압 출력에 약 0.5V를 기여하지만, 8.40b에 나타난 동등 회로에서 그림자가 드는 셀은 병렬과 직렬 저항을 통해 전류가 흐르면서 전압이 감소합니다.
This drop can be considerable (in Example 8.6 it was over 14 V).
이 감소는 상당할 수 있습니다 (예제 8.6에서는 14V 이상이었습니다).
The voltage drop problem in shaded cells could be to corrected by adding a bypass diode across each cell, as shown in Fig. 8.41.
그림자가 드는 셀에서의 전압 감소 문제는 각 셀에 바이패스 다이오드를 추가하여 수정할 수 있습니다. 그림 8.41에 나타난 것처럼 말이죠.
When a solar cell is in the sun, there is a voltage rise across the cell so the bypass diode is cut off and no current flows through it—it is as if the diode is not even there.
태양전지가 햇빛을 받을 때 셀 사이에 전압 상승이 발생하므로 바이패스 다이오드는 차단되고 흐름이 없습니다. - 마치 다이오드가 거기 없는 것처럼.
When the solar cell is shaded, however, the drop that would occur if the cell conducted any current would turn on the bypass diode, diverting the current flow through that diode.
그러나 태양전지가 그림자에 있을 때는, 셀이 어떤 전류를 통과한다면 발생할 전압 감소로 인해 바이패스 다이오드가 켜지고 그 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다.
The bypass diode, when it conducts, drops about 0.6 V.
바이패스 다이오드는 동작 시 약 0.6V의 전압을 감소시킵니다.
So, the bypass diode controls the voltage drop across the shaded cell, limiting it to a relatively modest 0.6 V instead of the rather large drop that may occur without it.
따라서, 바이패스 다이오드는 그림자가 드는 셀에서의 전압 감소를 제어하여 다이오드가 없을 경우 발생할 수 있는 상당한 감소 대신에 상대적으로 겸손한 0.6V로 제한시킵니다.
In real modules, it would be impractical to add bypass diodes across every solar cell, but manufacturers often do provide at least one bypass diode around a module to help protect arrays, and sometimes several such diodes around groups of cells within a module.
실제 모듈에서는 모든 태양 전지에 바이패스 다이오드를 추가하는 것은 현실적이지 않지만, 제조업체는 종종 하나의 모듈 주변에 적어도 하나의 바이패스 다이오드를 제공하여 어레이를 보호합니다 그리고 때로는 모듈 내의 셀 그룹 주변에 여러 바이패스 다이오드를 제공하기도 합니다.
These diodes don’t have much impact on shading problems of a single module, but they can be very important when a number of modules are connected in series.
이러한 다이오드들은 단일 모듈의 그늘 문제에는 큰 영향을 미치지 않지만, 여러 모듈이 직렬로 연결된 경우에는 매우 중요할 수 있습니다.
Just as cells are wired in series to increase module voltage, modules can be wired in series to increase array voltage.
셀이 모듈 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결되는 것처럼, 모듈도 어레이 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결될 수 있습니다.
Also, just as a single cell can drag down the current within a module, a few shaded cells in a single module can drag down the current delivered by the entire string in an array.
또한, 하나의 셀이 모듈 내에서 전류를 끌어내리는 것처럼, 단일 모듈의 몇 개의 그림자가 드리운 셀들은 어레이에서 전달되는 전류를 끌어내릴 수 있습니다.
The benefit already demonstrated for a bypass diode on a single cell also applies to a diode applied across a complete module.
단일 셀에 대한 바이패스 다이오드의 이미 시연된 혜택은 완전한 모듈에 적용된 다이오드에도 적용됩니다.
To see how bypass diodes wired in parallel with modules can help mitigate shading problems, consider Fig. 8.42, which shows I –V curves for a string of five modules (the same modules that were used to derive Fig. 8.39).
모듈과 병렬로 연결된 바이패스 다이오드가 그림자 문제를 완화하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴보기 위해, 8.42 그림을 고려해 보겠습니다. 이 그림은 5개 모듈의 I-V 곡선을 보여줍니다(8.39 그림에서 파생된 동일한 모듈).
The graph shows the modules in full sun as well as the I –V curve that results when one module has two cells completely shaded.
그래프는 모듈이 완전한 태양 아래에 있을 때와 완전히 그림자에 가려진 두개의 셀을 가진 한 모듈의 I-V 곡선을 보여줍니다.
Imagine the PVs delivering charging current at about 65 V to a 60-V battery bank. As can be seen, in full sun about 3.3 A are delivered to the batteries.
PV가 약 60 V의 배터리 은행에 약 65 V의 충전 전류를 공급한다고 상상해보세요. 볼 수 있듯이, 완전한 태양 아래에서 약 3.3 A가 배터리로 공급됩니다.
However, when just two cells in one module are shaded, the current drops by one-third to about 2.2 A.
그러나 한 모듈의 두 셀만 그림자에 들어갈 때 전류는 약 1/3 감소하여 약 2.2 A로 감소합니다.
With a bypass diode across the shaded module, however, the I –V curve is improved considerably as shown in the figure.
그러나 그림자가 드리운 모듈에 바이패스 다이오드가 있으면, I-V 곡선이 그림에 나타난 것처럼 상당히 향상됩니다.
Figure 8.43 helps explain how the bypass diodes do their job.
8.43 그림은 바이패스 다이오드가 어떻게 작동하는지 설명해줍니다.
Imagine five modules, wired in series, connected to a battery that forces the modules to operate at 65 V.
In full sun the modules deliver 3.3 A at 65 V.
65 V에서 운영되도록 배터리에 연결된 시리즈로 연결된 5개 모듈을 상상해 보세요.
완전한 태양 아래에서 모듈은 65 V에서 약 3.3 A를 전달합니다.
When any of the cells are shaded, they cease to produce voltage and instead begin to act like resistors (6.6 Ω per cell in this example) that cause voltage to drop as the other modules continue to try to push current through the string.
셀 중 하나가 그림자에 들어가면 전압을 생성하지 않고 대신 다른 모듈이 계속해서 string을 통해 전류를 밀어넣으려고 할 때 전압을 낮추는 저항기(이 예제에서 셀당 6.6 옴)처럼 작동합니다.
Without a bypass diode to divert the current, the shaded module loses voltage and the other modules try to compensate by increasing voltage, but the net effect is that current in the whole string drops.
통과되지 않은 채로 전류를 우회하지 않으면 그림자에 드리운 모듈은 전압을 잃고 다른 모듈은 전압을 증가시키려고 시도하지만 최종 효과는 string 전체의 전류가 감소하는 것입니다.
If, however, bypass diodes are provided, as shown in Fig. 8.43c, then current will go around the shaded module and the charging current bounces back to nearly the same level that it was before shading occurred.
그러나 그림 8.43c에 표시된 바이패스 다이오드가 제공된다면, 그림자에 드리운 모듈을 통해 전류가 흐르고 충전 전류는 거의 그림자가 발생하기 전과 동일한 수준으로 되돌아갑니다.
8.7.3 Blocking Diodes
Bypass diodes help current go around a shaded or malfunctioning module within a string.
바이패스 다이오드는 string 내의 그림자가나 작동하지 않는 모듈을 통해 전류가 흐를 수 있도록 돕습니다.
This not only improves the string performance, but also prevents hot spots from developing in individual shaded cells.
이는 string 성능을 향상시키는 데만 그치는 것이 아니라 개별 그림자가 드리운 셀에서 발생하는 핫스팟을 방지합니다.
When strings of modules are wired in parallel, a similar problem may arise when one of the strings is not performing well.
모듈 string이 병렬로 연결될 때 하나의 string이 성능이 좋지 않을 때 비슷한 문제가 발생할 수 있습니다.
Instead of supplying current to the array, a malfunctioning or shaded string can withdraw current from the rest of the array.
작동하지 않거나 그림자가 드리운 string은 배열의 나머지 부분에서 전류를 끌어들일 수 있습니다. 그
By placing blocking diodes (also called isolation diodes) at the top of each string as shown in Fig. 8.44, the reverse current drawn by a shaded string can be prevented.
림 8.44에 표시된 것처럼 각 string의 상단에 차단 다이오드(차단 다이오드로도 불림)를 배치함으로써 그림자가 드리운 string이 끌어들이는 역전류를 방지할 수 있습니다.
8.8 Crystalline Silicon Technologies
Thus far, the discussion of photovoltaics has been quite generic; that is, it hasn’t particularly depended upon what technology was used to fabricate the cells.
따라서 지금까지의 태양광에 대한 토론은 꽤 일반적이었으며, 셀을 제작하는 데 사용된 기술에 특별히 의존하지 않았습니다.
The circuit concepts just developed will be used in the next chapter when we explore PV system design, but before we get there it will be helpful to explore the different types of technologies currently used to manufacture photovoltaics.
방금 개발된 회로 개념은 다음 장에서 태양광 시스템 설계를 탐색할 때 사용될 것이지만, 거기에 도달하기 전에 현재 태양광을 제조하는 다양한 유형의 기술을 탐색하는 것이 도움이 될 것입니다.
There are a number of ways to categorize photovoltaics.
태양광은 여러 가지 방법으로 분류할 수 있습니다.
One dichotomy is based on the thickness of the semiconductor.
하나는 반도체의 두께를 기준으로 합니다.
Conventional crystalline silicon solar cells are, relatively speaking, very thick—on the order of 200–500 μm (0.008–0.020 in.).
전통적인 결정성 실리콘 태양전지는 상대적으로 매우 두꺼우며, 약 200-500 μm(0.008-0.020 인치) 정도입니다.
An alternative approach to PV fabrication is based on thin films of semiconductor, where “thin” means something like 1–10μm.
다른 접근 방식은 반도체의 얇은 막을 기반으로 하는 것이며, "얇은"이라는 것은 약 1~10 μm 정도를 의미합니다.
Thin-film cells require much less semiconductor material and are easier to manufacture, so they have the potential to be cheaper than thick cells.
얇은 막 셀은 반도체 소재가 훨씬 적게 필요하고 제조가 더 쉽기 때문에 두꺼운 셀보다 저렴할 수 있습니다.
The first generation of thin-film PVs were only about half as efficient as conventional thick silicon cells; they were less reliable over time, yet they were no cheaper per watt, so they really weren’t competitive.
얇은 막 PV의 첫 번째 세대는 전통적인 두꺼운 실리콘 셀의 절반 정도만 효율적이었으며 시간이 지남에 따라 신뢰성이 낮아졌으며, 와트 당 가격이 저렴하지 않았기 때문에 실제로 경쟁력이 없었습니다.
All three of these negative attributes have been addressed, more or less successfully, and thin-film PVs are beginning to become more competitive.
In the near future they may even dominate PV sales.
이러한 부정적인 속성은 모두 어느 정도 해결되었으며, 얇은 막 태양전지는 점차 경쟁력을 갖추기 시작했습니다.
가까운 미래에는 심지어 PV 판매에서 주도할 수도 있습니다.
Currently, however, about 80% of all photovoltaics are thick cells and the remaining 20% are thin-film cells used mostly in calculators, watches, and other consumer electronics.
그러나 현재 약 80%의 태양광이 두꺼운 셀이고 나머지 20%는 주로 계산기, 시계 및 기타 소비자 전자 제품에 사용되는 얇은 막 셀입니다.
Photovoltaic technologies can also be categorized by the extent to which atoms bond with each other in individual crystals.
태양광 기술은 또한 각 결정 원자가 서로 어떻게 결합되는지에 따라 분류할 수 있습니다.
As described by Bube (1998), there is a “family tree” of PVs based on the size of these crystals.
Bube (1998)에 의하면 이러한 결정의 크기에 따라 PV의 "가계도"가 있습니다.
The historically generic name “polycrystalline” can be broken down into the following more specific terms:
역사적으로 일반적인 이름인 "다결정"은 다음과 같은 더 구체적인 용어로 나뉠 수 있습니다:
(1) single crystal , the dominant silicon technology;
(1) 단결정, 주요 실리콘 기술;
(2) multicrystalline, in which the cell is made up of a number of relatively large areas of single crystal grains, each on the order of 1 mm to 10 cm in size, including multicrystalline silicon (mc-Si);
(2) multicrystalline , 셀이 상대적으로 큰 면적의 단일 결정 입자로 이루어진 것으로, 각 결정이 1mm에서 10cm 정도의 크기를 가지며, 다결정 실리콘 (mc-Si)을 포함합니다;
(3) polycrystalline, with many grains having dimensions on the order of 1 μm to 1 mm, as is the case for cadmium telluride (CdTe) cells, copper indium diselenide (CuInSe2,) and polycrystalline, thin-film silicon;
(3) polycrystalline, 크기가 1 μm에서 1 mm 정도인 많은 결정을 가진 것으로, 카드뮴 텔루라이드 (CdTe) 셀, 구리 인듐 디셀레나이드 (CuInSe2) 및 다결정 얇은 막 실리콘의 경우입니다;
(4) microcrystalline cells with grain sizes less than 1 μm; and (5) amorphous, in which there are no single-crystal regions, as in amorphous silicon (a-Si).
(4) microcrystalline, 결정 크기가 1 μm 미만; 그리고 (5) amorphous , 단일 결정 영역이 없는 경우로, 비정형 실리콘 (a-Si)을 포함합니다.
Another way to categorize photovoltaic materials is based on whether the p and n regions of the semiconductor are made of the same material (with different dopings, of course)—for example, silicon. These are called homojunction photovoltaics.
태양전지 소재를 분류하는 또 다른 방법은 반도체의 p 및 n 영역이 동일한 물질로 만들어졌는지 여부에 따라 이루어집니다 (물론 다른 도핑을 사용합니다) - 예를 들어 실리콘입니다.
When the p–n junction is formed between two different semiconductors, they are called heterojunction PVs.
이러한 것들은 동접합 태양전지라고합니다. p-n 접합이 두 가지 다른 반도체 사이에 형성될 때, 그것들은 이종접합 PV로 알려져 있습니다.
For example, one of the most promising heterojunction combinations uses cadmium sulfide (CdS) for the ntype layer and copper indium diselenide (CuInSe2, also known as “CIS”) for the p-type layer.
예를 들어, 가장 유망한 이종접합 조합 중 하나는 n-유형 층으로 카드뮴 황화물 (CdS)을 사용하고 p-유형 층으로 구리 인듐 디셀레나이드 (CuInSe2, "CIS"로도 알려짐)를 사용하는 것입니다.
Other distinctions include multiple junction solar cells (also known as cascade or tandem cells) made up of a stack of p–n junctions with each junction designed to capture a different portion of the solar spectrum.
다른 구별 사항으로는 다중 접합 태양전지 (카스케이드 또는 탠덤 셀로도 알려짐)이 있습니다. 이는 각 접합이 태양 스펙트럼의 다른 부분을 포착하도록 설계된 p-n 접합 스택으로 구성됩니다.
The shortest-wavelength, highest-energy photons are captured in the top layer while most of the rest pass through to the next layer.
가장 짧은 파장, 최고 에너지의 광자는 최상층에서 포착되며 대부분의 나머지는 다음 층으로 통과합니다.
Subsequent layers have lower and lower band gaps, so they each pick off the most energetic photons that they see, while passing the rest down to the next layer.
그 이후의 층은 점차적으로 높은 에너지 갭을 가지고 있으므로, 각각이 보이는 가장 에너지가 높은 광자를 취하면서 나머지는 다음 층으로 전달합니다.
Very high efficiencies are possible using this approach.
이 방법을 사용하면 매우 높은 효율을 얻을 수 있습니다.
Finally, some cells are specifically designed to work best with concentrated sunlight while others are used in nonconcentrating flat-plate systems.
마지막으로 일부 셀은 집중된 태양광에서 가장 잘 작동하도록 설계되었으며, 다른 일부 셀은 비집중 평판 시스템에서 사용됩니다.
Figure 8.45 provides a rough road map for our subsequent discussion of each technology.
그림 8.45는 각 기술에 대한 후속 논의를 위한 대략적인 로드맵을 제공합니다.
8.8.1 Single-Crystal Czochralski (CZ) Silicon
Silicon is the second most abundant element on earth, comprising approximately 20% of the earth’s crust.
실리콘은 지구 상에서 두 번째로 풍부한 원소로, 지구의 지각의 약 20%를 차지합니다.
Pure silicon almost immediately forms a layer of SiO2 on its surface when exposed to air, so it exists in nature mostly in SiO2-based minerals such as quartzite or in silicates such as mica, feldspars, and zeolites.
순수한 실리콘은 공기에 노출되면 거의 즉시 표면에 SiO2 층을 형성하기 때문에 대부분 광석으로 존재합니다. 예를 들어 광택암이나 광전자갈 또는 광천연석과 같은 광물이 있습니다.
The raw material for photovoltaics and other semiconductors could be common sand, but it is usually naturally purified, high-quality silica or quartz (SiO2) from mines.
태양전지 및 기타 반도체의 원료는 일반적으로 공통된 모래일 수 있지만, 보통 광산에서 나오는 천연 정제된 고품질 규석 (SiO2)이나 석영으로 합니다.
The first processing step to convert silica into crystalline silicon is an energy-intensive process in which SiO2 is reduced to an impure Si using carbon in an arc furnace.
규석을 결정성 실리콘으로 변환하는 첫 번째 처리 단계는 에너지를 많이 소비하는 과정으로, 여기서 SiO2를 아크로 가열로 탄소를 사용하여 불순물이 섞인 Si로 환원합니다.
It is then transformed to a liquid trichlorosilane (SiHCl3), which can be purified by fractional distillation.
그런 다음 이것은 액체 트리클로로실란 (SiHCl3)로 변환되어 분유 증류에 의해 정제될 수 있습니다.
The purified trichlorosilane can then be reduced with hydrogen to form extremely pure silicon:
정제된 트리클로로실란은 수소와 함께 반응하여 매우 순수한 실리콘을 형성합니다:
The result is rock-like chunks of 99.9999% pure silicon.
When heated to over 1400◦C, the rocks can be melted in a quartz crucible to form a molten vat of silicon.
결과적으로, 99.9999% 순수한 실리콘의 암석 모양의 덩어리가 생성됩니다.
이 암석은 1400°C 이상의 온도에서 가열되어 규석 용융통에 녹아 실리콘 용융대로 형성됩니다.
The most commonly used technique for forming single-crystal silicon from the crucible of molten silicon is the Czochralski, or CZ, method (Fig. 8.46a), in which a small seed of solid, crystalline silicon about the size of a pencil is dipped into the vat and then slowly withdrawn using a combination of pulling (10−4–10−2 cm/s) and rotating (10–40 rpm).
용융된 실리콘의 통에서 단결정 실리콘을 형성하는 가장 일반적인 기술은 쵸크랄스키(Cz)법이며(Fig. 8.46a), 여기서는 연필 정도의 작은 결정 실리콘이 용융대에 담긴 후, 천천히(10^−4 - 10^−2 cm/s) 당겨지고(10-40 rpm) 회전됩니다.
As it is withdrawn, the molten silicon atoms bond with atoms in the crystal and then solidify (freeze) in place.
이렇게 당겨질 때, 용융된 실리콘 원자들이 결정에 있는 원자들과 결합한 후 그 자리에서 고체화(결정화)됩니다.
The result is a large cylindrical ingot or “boule” of single-crystal silicon perhaps a meter long and as large as about 20 cm in diameter.
그 결과, 지름 약 1m이고 지름 약 20cm인 대형 원통형 실리콘 덩어리 또는 " boule " 얻게 됩니다.
By adding proper amounts of a dopant to the melt, the resulting ingot can be fabricated as an n- or p-type material.
용융된 실리콘에 적절한 양의 도파를 첨가하여 생성된 덩어리는 n형 또는 p형 재료로 제작될 수 있습니다.
Usually the dopant is boron and the ingot is therefore a p-type semiconductor.
보통 도파는 붕소이며, 따라서 덩어리는 p형 반도체가 됩니다.
An alternative to the Czochralski method is called the float-zone (FZ) process, in which a solid ingot of silicon is locally melted and then solidified by an RF field that passes slowly along the ingot.
쵸크랄스키 방법의 대안으로 float-zone (FZ) 공정이 있습니다. 이 방법은 실리콘의 고체 덩어리를 지역적으로 용융하고 그 후 RF 필드가 덩어리를 따라 천천히 이동하여 고체화시킵니다.
After the cylindrical ingot is formed, four sides may be sliced off, resulting in a block of silicon that has an approximately square cross section.
원통형 덩어리가 형성된 후에는 네 면을 잘라내어 대략적으로 정사각형 단면을 가진 실리콘 블록이 생성됩니다.
This “square-ness” allows greater packing density when the cells are assembled into a photovoltaic module.
이 " square-ness "은 태양전지 모듈로 조립될 때 더 큰 패킹 밀도를 제공합니다.
The silicon block must then be sawed into thin slices called wafers.
그런 다음 실리콘 블록은 "웨이퍼"라고 불리는 얇은 슬라이스로 잘려집니다.
This can be done with a saw blade (Fig. 8.46b) or with a diamond impregnated wire that cuts through the wafer.
이는 톱날이나 다이아몬드로 임페그네이트된 와이어를 사용하여 수행될 수 있습니다.
In either case, a large fraction of the ingot is lost as kerf (like sawdust)—as much as 50% when a saw blade is used, less if the wire saw is used.
어느 쪽을 사용하더라도 큰 부분의 덩어리가 제거됩니다(톱날을 사용할 때 최대 50% 정도, 와이어 톱을 사용할 때는 그보다 적습니다).
The wafers are then etched to remove some of the surface damage and to expose the microscopic crystalline structure at the top of the cell.
그런 다음 웨이퍼는 표면 손상을 제거하고 셀의 상단에 있는 미시적 결정 구조를 노출하기 위해 에칭되어야 합니다.
The surface is made up of a jumble of four-sided pyramids, which helps reflect light down into the crystal.
표면은 네모난 피라미드로 이루어져 있으며, 이는 빛을 결정 안으로 반사하는 데 도움이 됩니다.
After polishing, the wafers are ready to be doped to make the p–n junction.
광택을 부여한 후, 웨이퍼는 p-n 접합을 만들기 위해 도파되기 위해 준비됩니다.
During the above wafer fabrication, the crystalline silicon is usually doped with acceptor atoms, making it p-type throughout its 200- to- 500-μm thickness.
위의 웨이퍼 제조 중에 결정 실리콘은 일반적으로 수용체 원자로 도핑되어 그 두께 전체에 p형이 됩니다. 이러한 도핑은 웨이퍼의 두께가 200~500μm로 모두 동질적인 p형 재료가 되도록 합니다.
To form the junction, a thin 0.1- to 0.5-μm n-type layer is created by diffusing enough donor atoms into the top of the cell to overwhelm the already existing acceptors.
접합을 형성하기 위해 셀의 상단에 충분한 수용체 원자를 확산하여 0.1~0.5μm의 얇은 n형 층이 생성됩니다.
The wafers are placed in long tubes of silica glass for the diffusion process.
웨이퍼는 규석 유리 튜브에 넣어 확산 공정을 진행합니다.
The impurities, in gaseous form, flow through the tubes, thereby exposing the wafers under carefully controlled exposure time and temperature conditions.
가스 형태의 불순물이 튜브를 통해 흐르므로, 정밀하게 제어된 조건에서 웨이퍼가 노출되게 됩니다.
For most crystalline silicon, the donor atoms are phosphorus from phosphine gas (PH3) and the acceptors are boron (from diborane, B2H6).
대부분의 결정 실리콘의 경우, 도파 원자는 인화가스 (PH3)에서 인인(인산화 물)이고 수용체는 붕소 (이중 붕화물, B2H6)입니다.
Since silicon is naturally quite reflective to solar wavelengths, some sort of surface treatment is required to reduce those losses.
실리콘은 태양의 파장에 대해 자연스럽게 반사되기 때문에 이러한 손실을 줄이기 위해 어떤 종류의 표면 처리가 필요합니다.
An antireflection (AR) coating of some transparent material such as tin oxide (SnO2) is applied.
일부 투명한 물질 (예: 산화주석 (SnO2))의 반사방지 (AR) 코팅이 적용됩니다.
These coatings tend to readily transmit the green, yellow, and red light into the cell, but some of the shorter-wavelength blue light is reflected, which gives the cells their characteristic dark blue color.
이러한 코팅은 녹색, 노란색 및 빨간색 빛을 셀로 쉽게 전달하지만 더 짧은 파장의 파란색 빛은 반사되므로, 셀이 특징적인 짙은 파란색을 가지게 됩니다.
The next step is the attachment of electrical contacts to the cell.
다음 단계는 셀에 전기적인 접촉을 부착하는 것입니다.
For many years, the bottom contacts were formed by vacuum deposition of a layer of aluminum that covered the back side of the cell.
많은 연도 동안, 하단 접촉은 셀의 뒷면을 덮는 알루미늄 층을 진공 증착함으로써 형성되었습니다.
Aluminum is a Group III element, so it not only serves as a conductor but also can contribute to the concentration of holes in the bottom of the p-layer, forming what is called a p + layer.
알루미늄은 3족 원소이므로 전도체로서 역할뿐만 아니라 하부 p-층의 홀 농도를 증가시킴으로써 p+ 층이 형성되는 데에 기여할 수 있습니다.
Those extra holes help reduce the contact resistance between the silicon and aluminum, and the gradient of holes that they create helps reduce recombination at the contact by driving holes away from the back surface.
이러한 추가 홀은 실리콘과 알루미늄 간의 접촉 저항을 줄이는 데 도움이 되며, 그들이 만들어내는 홀의 그래디언트는 백면에서 홀을 멀리 밀어내어 접촉에서의 재조합을 줄이는 데 도움이 됩니다.
A cross section of a typical 1970s vintage, single-crystal silicon cell is shown in Fig. 8.47a.
전형적인 1970년대 초반의 단결정 실리콘 셀의 단면도는 그림 8.47a에 나와 있습니다.
The front-surface contacts in most cells have been formed by depositing a grid of metal conductors that covers on the order of 5–10% of the total area.
대부분의 셀의 전면 표면 접촉은 금속 전도체의 격자를 증착하여 전체 면적의 약 5~10%를 덮는 것으로 형성되었습니다.
That coverage, of course, reduces the amount of sunlight reaching the junction and hence reduces the overall cell efficiency.
물론 이러한 덮개는 결합면에 도달하는 태양광의 양을 줄이고 전체 셀 효율을 감소시킵니다.
Some newer cells, called backpoint contact cells, put both contacts on the bottom to avoid that shading effect.
일부 최신 셀인 백포인트 접촉 셀은 두 개의 접촉을 모두 밑면에 두어 이러한 그림자 효과를 피합니다.
Another approach involves use of lasers to dig deep, narrow grooves into the cell.
또 다른 접근 방법은 레이저를 사용하여 셀에 깊고 좁은 홈을 파는 것입니다.
The deep grooves in these laser-grooved, buried-contact cells are filled with metal, forming a large contact area while minimizing the top-surface area shaded by the contact.
이 레이저로 구운 묻힌 접촉 셀의 깊은 홈에는 금속이 채워져 있어 큰 접촉 면적을 형성하면서 접촉에 의해 가려지는 상부 표면 면적을 최소화합니다.
The bottom contacts can also be formed using this laser technique, resulting in what is called a “double-sided” laser-grooved photovoltaic cell (Fig. 8.47b).
하단 접촉도 이 레이저 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 이를 "양면" 레이저 채택 광전지 셀이라고 합니다(그림 8.47b).
In newer cells, a number of other techniques may be incorporated into the top surface to improve performance.
새로운 셀에서는 성능을 향상시키기 위해 상단 표면에 다양한 기술을 결합할 수 있습니다.
One of the most advanced crystalline silicon photovoltaics is called the passive-emitter, rear locally diffused (PERL) cell (Fig. 8.47c).
가장 최첨단의 결정 실리콘 광전지 중 하나는 패시브-에미터, 뒷면 지역 확산 (PERL) 셀이라고 불립니다(그림 8.47c).
In a PERL cell, inverted pyramids on the front surface, covered with an antireflection coating, help capture and bounce light into the cell.
PERL 셀에서 전면 표면의 반전된 피라미드는 반사 방지 코팅으로 덮여 있으며, 빛을 포획하고 셀로 반사시킵니다.
These cells not only direct more sunlight into the cell, they also reflect back into the cell photons that were reflected off of the bottom oxide layer covered by aluminum.
이러한 셀은 더 많은 태양광을 셀로 유도하고, 알루미늄으로 덮인 하부 산화물층에서 반사된 광자를 셀로 다시 반사시킵니다.
Efficiencies approaching 25% have been achieved.
25%에 근접하는 효율이 달성되었습니다.
Great progress has been made in improving the maximum efficiency achieved in laboratory cells.
실습 셀에서 달성된 최대 효율을 향상시키는 데 큰 진전이 이루어졌습니다.
Figure 8.48 illustrates the rise from less than 1% in the 1940s, to just over 15% in the early 1970s, to over 25% by 2000.
그림 8.48은 1940년대의 1% 미만에서 1970년대 초반의 약 15% 이상, 2000년에는 25% 이상으로 상승하는 추이를 보여줍니다. 2003년 실제 생산 모듈의 효율은 14~17% 범위였습니다.
Actual production module efficiencies in 2003 were in the range of 14 to 17%.
2003년 실제 생산 모듈의 효율은 14~17% 범위였습니다.
8.8.2 Ribbon Silicon Technologies
The fact that the CZ and FZ processes for wafer production were developed for the semiconductor industry has been both a blessing and a curse.
CZ 및 FZ 공정은 반도체 산업을 위해 개발되었으며 이는 축복이자 저주가 되었습니다.
Without question, the photovoltaics industry has benefited greatly by being able to piggyback onto technology developed for the immense microelectronics industry.
의심의 여지 없이, 광전자 산업은 거대한 마이크로전자 산업을 위해 개발된 기술을 활용하여 큰 혜택을 봤습니다.
Also, since PVs don’t need the very highest quality wafers, they can use some of the rejected crystalline silicon originally meant for the semiconductor industry.
또한, 광전자장치가 최상급 품질의 웨이퍼를 필요로 하지 않기 때문에, 반도체 산업을 위해 원래 의도된 몇몇 거부된 결정질 실리콘을 사용할 수 있습니다.
On the other hand, a wafer that is fabricated into thousands of high-priced integrated circuits can generate a lot more revenue than one that ends up as a photovoltaic cell, which means an electronics company can pay a lot more for wafers, keeping their price high.
반면에, 수천 개의 고가 통합 회로로 제작된 웨이퍼는 광전자장치 셀로 끝나는 것보다 훨씬 더 많은 수익을 창출할 수 있으므로, 전자 기업은 웨이퍼에 대해 높은 가격을 지불할 수 있습니다.
With the cost of sliced-and-polished wafers being a significant fraction of the cost of PVs, attempts have been made to find other ways to fabricate crystalline silicon.
슬라이스 및 연마된 웨이퍼의 비용이 광전자장치의 비용의 상당한 부분을 차지하고 있기 때문에, 결정질 실리콘을 제작하기 위한 다른 방법을 찾는 시도가 이루어졌습니다.
Several such technologies are based on growing crystalline silicon that emerges as a long, thin, continuous ribbon from the silicon melt.
이러한 기술 중 몇 가지는 실리콘 용융에서 긴, 얇은 연속된 리본으로 나오는 결정질 실리콘을 성장시키는 것에 기반을 두고 있습니다.
The ribbons can then be scribed and broken into rectangular cells without the wastefulness of sawing an ingot and without the need for separate polishing steps.
이러한 리본은 톱으로 잘라내거나 별도의 연마 단계 없이 직사각형 셀로 나뉠 수 있습니다.
One such approach, called “edge-defined, film-fed growth (EFG),” is illustrated in Fig8.49a.
"Edge-defined, film-fed growth (EFG)"라는 하나의 접근 방식은 Fig8.49a 같이 설명됩니다.
It is based on a carbon die that is partially immersed in molten silicon.
탄소 다이는 일부분이 실리콘 용융에 부분적으로 물에 잠기게 되어있습니다.
Within the slot-shaped aperture in the die, molten silicon solidifies and emerges as a frozen ribbon of crystalline silicon. An earlier ribbon process was based on growth of a thin sheet of crystal between two parallel dendrite supports (Fig. 8.49b).
다이의 슬롯 모양의 구멍 안에서, 실리콘 용융이 고체화되고 결정질 실리콘의 얼어붙은 리본으로 나오게 됩니다. 이전 리본 공정은 두 개의 평행한 수지 지지체 사이에서 얇은 결정 시트를 성장시키는 것에 기반을 두었습니다 (Fig. 8.49b ).
Very precise temperature control is required for the dendrites, and the solidifying silicon between them, to form good crystalline material as the ribbon is pulled from the melt.
매우 정확한 온도 제어가 수지 지지체와 그 사이에서 고체화되는 실리콘에 필요하며, 리본이 용융물에서 끌어올려질 때 좋은 결정질 물질을 형성하기 위해서입니다.
A similar process is called the String Ribbon technique, in which two high-temperature vertical strings are pulled vertically through a shallow silicon melt.
유사한 공정은 String Ribbon 기술이라고 불립니다. 여기서 두 개의 고온 수직 스트링이 얕은 실리콘 용융을 수직으로 통과하여 끌어올려집니다.
The molten silicon spans and freezes between the strings, forming a long, thin single-crystal ribbon.
용융 실리콘은 스트링 사이를 가로질러 얼어붙어 긴, 얇은 단결정 리본을 형성합니다.
The silicon ribbon is then cut to length without interrupting the continuous growth of new ribbon.
실리콘 리본은 연속된 성장을 방해하지 않고 길이에 맞게 잘라낼 수 있습니다.
A third ribbon technology was introduced by Siemens Solar in 1990, but was never fully developed until the German company, Brandl AG, picked it up in 2000.
세 번째 리본 기술은 Siemens Solar에서 1990년에 소개되었지만 2000년에 독일 회사인 Brandl AG가 이를 완전히 개발하기 시작했습니다.
The S-Web process utilizes a carbon-fiber net that is pulled horizontally along the surface of a silicon melt.
S-Web 프로세스는 수평으로 끌어올려지는 탄소 섬유 네트를 사용합니다.
The silicon solidifies along the lower side of the net, forming a crystal that can be drawn out into a continuous ribbon, which can then be doped and cut into rectangular, cell-sized pieces.
실리콘은 네트의 하단면에 따라 고체화되어 연속된 리본으로 끌어올려질 수 있으며, 이후에는 양끝이 치졸어 사각형 모양의 셀로 잘립니다.
A sketch of the process is shown in Fig. 8.50.
프로세스의 스케치는 그림 8.50에 나와 있습니다.
8.8.3 Cast Multicrystalline Silicon
Another way to avoid the costly Czochralski and float-zone processes is based on carefully cooling and solidifying a crucible of molten silicon, yielding a large, solid rectangular ingot.
Czochralski 및 플로트 존 공정의 비용을 피하는 또 다른 방법은 용융 실리콘의 용광로를 신중하게 냉각하여 고체로 만드는 것입니다.
Since these ingots may be quite large, on the order of 40 × 40 × 40 cm and weighing over 100 kg, the ingot may need to be cut into smaller, more manageable blocks, which are then sliced into silicon wafers using either the saw or wire-cutting techniques.
이러한 방법으로 얻어진 큰 사각형 형태의 고체 블록은 매우 크기 때문에 40 × 40 × 40 cm 정도이며 무게는 100 kg 이상 될 수 있습니다. 따라서 이 블록을 더 작고 다루기 쉬운 덩어리로 자를 필요가 있으며, 그 후 톱 또는 와이어 커팅 기술을 사용하여 실리콘 웨이퍼로 슬라이스합니다.
Sawing can waste a significant fraction of the ingot, but since this casting method is itself cheaper and it utilizes less expensive, less pure silicon than the CZ process, the waste is less important.
톱으로 자르는 것은 웨이퍼를 제조하기 위해 사용하는 양이 많은 재료의 낭비를 초래할 수 있지만, 이 주조 방법 자체가 더 저렴하며 CZ 공정보다 덜 순수한 실리콘을 사용하므로 이러한 낭비는 중요하지 않습니다.
Casting silicon in a mold and then carefully controlling its rate of solidification results in an ingot that is not a single, large crystal.
주물 방법을 사용하여 실리콘을 주형에 주울 때 신중하게 고체화 속도를 제어하면 단일 크리스털이 아닌 큰 결정질 블록이 생성됩니다.
Instead, it consists of many regions, or grains, that are individually crystalline and which tend to have grain boundaries that run perpendicularly to the plane of the cell.
대신, 이 블록은 개별적으로 결정질이며 세포의 평면에 수직으로 배치되는 결정 구획이 많습니다.
Defective atomic bonds at these boundaries increase recombination and diminish current flow, resulting in cell efficiencies that tend to be a few percentage points below CZ cells.
이러한 경계에서의 결함된 원자 결합은 재조합을 증가시키고 전류 흐름을 감소시키므로, 셀 효율은 일반적으로 CZ 셀보다 몇 퍼센트포인트 낮습니다.
Figure 8.51 illustrates the casting, cutting, slicing, and grain boundary structure of these multicrystalline silicon (mc-Si) cells.
그림 8.51은 이러한 다결정 실리콘 (mc-Si) 셀의 주조, 절단, 슬라이스 및 결정 경계 구조를 보여줍니다.
8.8.4 Crystalline Silicon Module
The photovoltaic technologies described thus far result in individual thick cells that must be wired together to create modules with the desired voltage and current characteristics.
지금까지 설명한 태양전지 기술은 원하는 전압 및 전류 특성을 갖는 모듈을 만들기 위해 함께 연결해야 하는 개별적인 두꺼운 셀을 생성합니다.
This wiring is done with automated soldering machines, which connect the cells in series—that is, with the front of one cell connected to the back of the next, as shown in Fig. 8.52.
이 연결은 자동화된 납땜 기계를 사용하여 수행되며, 이때 셀은 시리즈로 연결됩니다. 즉, 한 셀의 전면이 다음 셀의 뒷면에 연결됩니다, Fig. 8.52 에 나타나 있습니다.
After soldering, the cells are laminated into a sandwich of materials that offer structural support as well as weather protection.
납땜 후에 셀들은 구조적 지지력과 날씨 보호를 제공하는 재료의 샌드위치로 라미네이팅됩니다.
The upper surface is tempered glass, and the cells are encapsulated in two layers of ethylene vinyl acetate (EVA).
상부 표면은 강화 유리로, 셀은 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA)의 두 층으로 캡슐화됩니다.
Finally, the back is covered with sheets of polymer that prevent moisture penetration.
마지막으로, 뒷면은 수분 침투를 방지하는 폴리머 시트로 덮여 있습니다.
8.9 Thin-Film Photovoltaics
Conventional crystalline silicon technologies (x-Si) require considerable amounts of expensive material with additional complexity and costs needed to wire individual cells together.
전통적인 결정성 실리콘 기술(x-Si)은 상당량의 비싼 재료가 필요하며 개별 셀을 연결하기 위한 추가 복잡성과 비용이 필요합니다.
Competing technologies, however, are based on depositing extremely thin films of photovoltaic materials onto glass or metal substrates.
그러나 경쟁 기술은 유리나 금속 기판 위에 극히 얇은 태양전지 재료를 증착하는 것에 기반하고 있습니다.
Thin-film devices use relatively little material (their thickness is in the micron range rather than the hundreds-of-microns range needed by crystalline silicon),∗ they do not require the complexity of cell interconnections, and they are particularly well suited to mass-production techniques.
[*For comparison, a human hair is roughly 100 μm in diameter.]
얇은 필름 장치는 상대적으로 적은 재료를 사용합니다(그들의 두께는 결정성 실리콘이 필요한 수백 마이크론 대신 마이크로 미터 범위입니다). 또한, 셀간 연결의 복잡성이 필요하지 않으며 대량 생산 기술에 특히 적합합니다.
Their thinness allows photons that aren’t absorbed to pass completely through the photovoltaic material, which offers two special opportunities.
그들의 얇음은 흡수되지 않은 광자들이 태양전지 재료를 완전히 통과할 수 있도록 합니다. 이는 두 가지 특별한 기회를 제공합니다.
Their semitransparency means that they can be deposited onto windows, making building glass a provider of both light and electricity.
그들의 반투명성은 건물 유리를 빛과 전기의 제공자로 만들 수 있습니다.
They also lend themselves to multiple-junction, tandem cells in which photons of different wavelengths are absorbed in different layers of the device.
또한 여러 층에서 서로 다른 파장의 광자가 흡수되는 다중 접합체, 탄덤 셀에 자연스럽게 적합합니다.
In exchange for these highly desirable properties, thin-film cells are not as efficient as x-Si—especially when they are not used in tandem devices.
이러한 매우 바람직한 특성에 대신하여 얇은 필름 셀은 x-Si보다 효율적이지 않습니다. 특히, 그들이 탄덤 장치에서 사용되지 않을 때입니다.
While the likelihood of significant reductions in module costs are modest for conventional crystalline silicon, many opportunities remain to increase efficiency and dramatically reduce costs using thin-film technologies.
전통적인 결정성 실리콘의 모듈 비용이 크게 감소할 가능성은 적지만, 얇은 필름 기술을 사용하여 효율성을 높이고 비용을 대폭 줄일 수 있는 많은 기회가 남아 있습니다.
Many believe that thin films will be the dominant photovoltaic technology in the future.
많은 사람들이 얇은 필름이 앞으로의 주요한 태양광 기술이 될 것으로 믿고 있습니다.
8.9.1 Amorphous Silicon
Almost all of today’s thin-film technology is based on amorphous (glassy) silicon (a-Si)—that is, silicon in which there is very little order to the arrangement of atoms.
오늘날의 거의 모든 얇은 필름 기술은 비정질(유리상) 실리콘(a-Si)을 기반으로 합니다. 즉, 원자 배열에 대한 순서가 거의 없는 실리콘입니다.
Since it is not crystalline, the organized tetrahedral structure in which one silicon atom bonds to its four adjacent neighbors in a precisely defined manner does not apply.
결정성이 아니기 때문에 실리콘 원자가 정확하게 정의된 방식으로 4개의 이웃 실리콘 원자에 결합하는 조직적 테트라에는 적용되지 않습니다.
While almost all of the atoms do form bonds with four other silicon atoms, there remain numerous “dangling bonds” where nothing attaches to one of the valence electrons.
거의 모든 원자가 다른 실리콘 원자와 결합하지만 여전히 다른 발렌스 전자 중 하나에 아무것도 결합되지 않은 "둥둥 떠있는 결합"이 여럿 남아 있습니다.
These dangling-bond defects act as recombination centers so that photogenerated electrons recombine with holes before they can travel very far.
이러한 둥둥 떠있는 결합 결함은 광생성된 전자가 멀리 여행하기 전에 홀과 재결합되는 장소로 작용합니다.
The key to making a-Si into a decent photovoltaic material was first discovered, somewhat by accident, in 1969, by a British team that noted a glow when silane gas SiH4 was bombarded with a stream of electrons (Chittick et al., 1969).
비정질 실리콘을 괜찮은 태양전지 재료로 만드는 열쇠는 1969년에 영국 팀이 전자 스트림으로 시란 가스 SiH4를 폭발시켰을 때 발생한 발광을 우연히 발견한 것으로부터 시작되었습니다(Chittick et al., 1969).
This led to their critical discovery that by alloying amorphous silicon with hydrogen the concentration of defects could be reduced by about three orders of magnitude.
이는 비정질 실리콘을 수소와 합금화함으로써 결함의 농도를 대략 세 개의 순서로 줄일 수 있음을 중요하게 발견한 것으로 이어졌습니다.
The concentration of hydrogen atoms in these alloys is roughly 1 atom in 10, so their chemical composition is approximately Si0.9H0.1.
이러한 합금에서 수소 원자의 농도는 대략 10개의 원자 중 1개이므로 그들의 화학적 조성은 대략 Si0.9H0.1입니다.
Moreover, the silicon–hydrogen alloy that results, designated as a-Si:H, is easily doped to make n-type and p-type materials for solar cells.∗
[∗It is interesting to note that amorphous silicon is finding application in other products besides photovoltaics.
The fact that it is an insulator in the dark but readily conducts current when exposed to light has led to its incorporation in photoelectronic products such as photocopiers, laser printers, and fax machines.]
더욱이, 결과로 나오는 실리콘-수소 합금인 a-Si:H는 태양 전지용으로 n-형과 p-형 재료를 쉽게 도핑할 수 있습니다.
The first a-Si:H solar cells were described in the literature in 1976 (Carlson and Wronski, 1976). While only 1% efficient, their potential was quickly recognized.
첫 번째 a-Si:H 태양전지는 1976년 문헌에 기술되었습니다(Carlson and Wronski, 1976). 그들의 효율은 단 1%였지만, 그들의 잠재력은 빨리 인정되었습니다.
The first commercial use of a-Si:H came in 1980 when Sanyo introduced a line of solar-powered pocket calculators.
a-Si:H의 상업적 사용은 1980년에 산요가 태양 전력 포켓 계산기 라인을 소개할 때 시작되었습니다.
And by the mid-1980s, amorphous silicon PV modules for use outdoors were on the market.
그리고 1980년대 중반쯤에는 야외용으로 사용되는 비정질 실리콘 태양 전지 모듈이 시장에 나왔습니다.
Their efficiency was only about 5% or 6% when new; within the first few months of use, this dropped to about 3% or 4%.
그들의 효율은 새로운 것일 때 약 5% 또는 6%에 불과했으며, 사용 첫 몇 달 내에 이것은 약 3% 또는 4%로 떨어졌습니다.
Understanding this efficiency instability, and dealing with it, has remained a significant challenge.
이 효율 불안정성을 이해하고 이를 처리하는 것은 여전히 상당한 도전입니다.
By the early 1990s, single-junction cells had stabilized efficiencies of about 10%, while considerably higher efficiencies have been reached for multijunction cells.
1990년대 초까지 단일 접합 셀의 안정화된 효율은 약 10%이며, 다중 접합 셀에 대해서는 훨씬 더 높은 효율이 달성되었습니다.
So, how can a p–n junction be formed in an amorphous material with very little organization among its atoms?
Figure 8.53 shows a cross section of a simple a-Si:H cell that uses glass as the supporting superstrate.
그렇다면 원자들 사이에 거의 조직이 없는 비정질 물질에서 어떻게 p-n 접합이 형성될 수 있을까요?
그림 8.53은 유리를 지지용으로 사용하는 단순한 a-Si:H 셀의 단면을 보여줍니다.
On the underside of the glass a buffer layer of SiO2 may be deposited in order to prevent subsequent layers of atoms from migrating into the glass.
유리의 하부에는 나중에 나오는 층이 유리로 이동하는 것을 방지하기 위해 SiO2의 버퍼 층이 증착될 수 있습니다.
Next comes the electrical contact for the top of the cell, which is usually a transparent conducting oxide (TC) such as tin oxide, indium–tin oxide, or zinc oxide.
그 다음으로는 셀 상단의 전기적 접촉이 오는데, 이는 일반적으로 스테인리스 스틸과 같은 투명 전도 산화물(TC)이며, 주로 스날, 인듐-스날 산화물 또는 아연 산화물로 구성됩니다.
The solar cell itself is often formed by subjecting gaseous silicon in the form of silane SiH4 (or disilane Si2H6) to bombardment by a stream of electrons.
태양 전지 자체는 종종 기체 상태의 실리콘을 실리란 SiH4(또는 디실란 Si2H6) 형태로 전기 전자 빔에 폭발시킴으로써 형성됩니다.
The bombardment creates reactive silane radicals, which can attach themselves onto what becomes a growing layer of amorphous silicon.
이 폭발은 반응성 실란 라디컬을 생성하며, 반응성 실란이 무질서한 실리콘의 성장 층에 부착될 수 있게 됩니다.
During this process, the excited silane can emit photons of light, in what is called a glow discharge.
이 과정 중에, 흥분된 실란은 빛의 광자를 방출할 수 있으며, 이를 발광 방출이라고 합니다.
The n-layer is formed by adding phosphene gas PH3 to the mix, while diborane gas B2H6 is used to form the p-layer.
n층은 혼합물에 인산가스 PH3를 추가하여 형성되고, p층은 붕소가스 B2H6를 사용하여 형성됩니다.
The actual p–n junction, whose purpose is of course to create the internal electric field in the cell to separate holes and electrons, consists of three layers consisting of the p-layer and n-layers separated by an undoped (intrinsic) region of a-Si:H As shown, the p-layer is only 10 nm thick; the intrinsic layer, or ilayer, is 500 nm; and the n-layer is 20 nm.
당연히 셀 내부 전기장을 생성하는 실제 p-n 접합은 p층과 n층 사이에 있는 비도핑(고유) 영역을 포함한 세 층으로 구성됩니다. 그림에 나와 있는 것처럼, p층은 단 10 나노미터 두께입니다. 비도핑 층 또는 i-층은 500 나노미터이며, n층은 20 나노미터입니다.
Notice that the electric field created between the rigid positive charges in the n-layer and the rigid negative charges in the p-layer spans almost the full depth of the cell.
n층의 엄격한 양전하와 p층의 엄격한 음전하 사이에 생성된 전기장이 셀의 거의 전체 깊이를 가로지르는 것을 주목하세요.
This means that light-induced hole–electron pairs created almost anywhere within the cell will be swept across the intrinsic layer by the internal field.
이것은 셀 내에서 생성된 빛에 의해 유도된 홀-전자 쌍이 내부 전기장에 의해 i층을 횡단할 것이라는 것을 의미합니다.
These amorphous silicon PVs are referred to as p–i –n cells.
이러한 비정질 실리콘 PVs는 p-i-n 셀이라고도 합니다.
A variation on the a-Si p–i –n cell uses a thin, flexible stainless steel substrate located at the bottom of the cell instead of the glass superstrate shown in Fig. 8.53.
a-Si p-i-n 셀의 변형 중 하나는 그림 8.53에 나타난 유리 지지층 대신 셀 하부에 얇고 유연한 스테인리스 스틸 기판을 사용합니다.
The stainless steel provides the mechanical strength needed while its flexibility allows modules of these cells to be literally rolled up and stored (Fig. 8.54).
스테인리스 스틸은 필요한 기계적 강도를 제공하면서 그 유연성으로 인해 이러한 셀의 모듈을 실제로 말려 저장할 수 있습니다 (Fig. 8.54) .
These flexible modules are often fitted with grommets so they can be lashed to irregular surfaces such as those found on boats.
이러한 유연한 모듈은 보트 등의 불규칙한 표면에 매달 수 있도록 고머를 장착하는 경우가 많습니다.
... 뒷 내용 반도체공학 내용 원본 참고