태양 전지의 작동법[기초]

1. 태양 전지의 구조원리 

태양 에너지를 활용하기 위해서 모래를 사용한다.

모래를 태양전지에 사용하기 위해서는 99.99% 순수한 실리콘 결정체로 변형되어야 한다.

 이를 위해 모래는 아래와 같은 정화 과정을 거쳐야 한다. 

 

 

실리콘 원자재는 기체 실린콘 화합물의 형태로 변환된다.

이것은 고도로 정제된 다결정 실리콘을 생산하기 위해 수소와 섞인다.

 

이러한 실리콘 두개는 재 형성이 되어 실리콘 웨이퍼라고 불리는 매우 얇은 조각으로 변형된다. 

실리콘 웨이퍼가 태양광 전지의 핵심이다.

 

실리콘 원자의 구조는 원자끼리 서로 결합되어 있다. 

서로 결합되어 있는 실리콘 구조 속 전자는 자유롭게 움직이지 못한다.

 

5개의 원자가 전자가 있는 인원자가 그 안에 주입이 된다고 가정해본다.

이 구조에서는 하나의 전자가 자유롭게 움직일 수 있다.

이 구조에서 전자는 충분한 에너지를 얻을 때 자유롭게 움직인다.

 

이런 종류의 물질만을 사용해 단순화 된 태양 전지를 만든다 가정한다.

빛이 전제에 비췆질 때 전자는 광자의 에너지를 얻고 자유롭게 움직일 수 있다.

하지만 전자는 무작위로 움직이기 때문에 결과적으로 부하를 감당하고 통과하는 전류는 발생하지 않는다.

 

전자가 단방향으로 흐르게 하려면 추진력이 필요하다.

추진력을 생성하는 쉽고 실용적인 방법은 pn접합이다.

n형 도핑과 마찬가지로 3개의 원자가 전자와 함께 붕소를 순수한 실리콘에 주입하면, 각 원자에 하나의 구멍이 생긴다,

이것을 p형 도핑이라 한다.

이 두가지 종류의 도핑된 물질이 서로 결합하면 n측의 일부 전자가 p영역으로 이동하여 빈 구멍을 메운다.

이 방법으로 자유 전자와 구멍이 없는 공핍 영역이 생긴다.

 

전자의 이동으로 n측 영역은 약간 양극이 되고, p측은 음극이 된다.

이러한 전하 사이의 전기장이 형성될 것이다.

이 전기장은 필요한 추진력을 생성한다.

 

빛이 pn접합에 들어갈 때, 빛이 태양 전지의 n영역에 비춰지고 투과되어 공핍영역까지 도달한다.

이 광자 에너지는 공핍 영역에서 전자와 구멍에 쌍을 만들기 충분하다.

공핍 영역의 전기장은 공핍 영역에서 전자와 구멍을 나아가도록 만든다.

 

여기서 n영역의 전자의 밀집도와 p영역의 구멍의 밀집도가 너무 높아져 그들 사이의 잠재적 차이가 발생한다.

이런 영역간의 부활을 해결하면, 전자가 하중을 통해 흐르기 시작한다.

 

전자는 끝까지 간 후 p영역의 구멍과 다시 결합된다. 

이 방식으로 태양전지는 계속해서 직류를 공급한다.

 

실용적인 태양 전지에서는 상단에 n층이 매우 얇고 고농도로 도핑되어 있다. 

반면에 p층은 두껍고 저농도로 도핑되어 있다. 

이것은 셀의 성능을 향상시키기 위한 것이다.

공핍영역이 커지면서, 이전에 비해 감소 영역의 두께가 훨씬 두껍다.

즉, 빛이 비춰짐으로 인해 전자 구멍쌍이 이전 사례와 비교해 더 넓은 영역에서 생성된다는 의미이다.

이로인해 더 많은 전류가 태양 전지에 의해 생성된다.

또다른 장점은 얇은 상단층으로 더 많은 빛 에너지가 공급지역에 도달 할 수 있다.

 

2. 태양 전지판의 구조

(1) 셀 층

전자는 핑거를 통과한 후 버스바에 모인다.

 

이 전지의 위쪽 음극은 구리 조각을 통해 다음 전지의 뒷면에 연결된다.

여기서는 직렬 접속이 생선된다.

이 직렬로 연결된 전지를 다른 전지 시리즈와 병렬로 연결하면 태양 전지판이 나온다.

단일 태양전지는 약0.5V만 생산한다.

전지의 직렬과 병렬연결의 조합으로 전류와 전압 값이 사용 가능한 범위로 증가한다.

 

(2) EVA 시트

양쪽에 EVA시트 층이 충격, 진동, 습도 및 먼지로 부터 전지를 보호한다.

 

(3) 두 가지 다른 외관 

내부 결정 격자 구조의 차이로 결정된다.

다결정  태양 전지판에서는 여러 개의 결정체가 임의로 방향을 잡는다.

실리콘 결정체의 화학적 과정이 한 단계 더 나아가면 다결정 질의 셀은 단결정 셀이 된다.

 

양쪽에 작동 원리가 동일 하더라도 단일 결정체의 전지는 더 높은 전기 전도성을 제공한다.

단일 결정체 전지의 독특한 팔각형의 모양은 물질에 손실없이 전체에 영향을 더 효과적으로 이용한다.

 

하지만 단일 결정체 전지는 더 비싼 가격때문에 널리 사용되지는 않는다.

 

3. 경제성

태양 전지의 가동 비용은 무시할 만한 정도지만 태양광 전지의 총 전 지구적 에너지 기여도는 1.3%에 불과하다.

이는 주로 화석연료와 맞먹을 수 없는 태양광 발전 패널의 자본 비용과 효율 제한 때문이다.

 

집 지붕의 태양열 패널은 배터리와 태양열 충전 제어기의 도움으로 전기를 저장할 수 있다는 선택권이 있다.

하지만  태양열 발전소는 필요한 만큼의 많은 양의 저장이 불가능해 일반적으로 기존의 다른 발전소 출력과 같은 방식으로 전기 좌표계와 연결되어 있다.

전력 인버터의 도움을 받아 DC는 AC로 변환되어 좌표계로에 공급된다.

 

 

 

+출처

https://youtu.be/7WnBDvc5Pl0