에너지 소자 공학

2017년 1학기 7

class

Jihoon Jang

에너지 소자 공학

태양광의 입사와 광전류 생성

1. 태양광의 입사

1. 태양광의 입사

■ 태양전지의 구조

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 입사 (photon incident)

Solar cell

photon

reflection

absorption

penetration

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 투과 (Permeation)

: 투과 : E_ph < E_g

http://pveducation.org/pvcdrom/absorption-of-light

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 흡수 (absorption)

: 흡수 : E_ph = E_g

http://pveducation.org/pvcdrom/absorption-of-light

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 흡수 (absorption)

: 흡수 : E_ph > E_g

- 태양광 흡수에 의한 전자-정공쌍의 생성 : 다수 캐리어 양 >> 생성 캐리어 양

: 소수 캐리어 양 < 생성 캐리어 양

http://pveducation.org/pvcdrom/absorption-of-light

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 흡수 (absorption)

: 흡수계수 (absorption coefficient, 기호 : α, 단위 : /m)

- 광속, X선, 방사선, 전파 등이 어떤 두께의 물질의 층을 통과할 때 감쇠되는 비율

) exp( x I

I =

− α

I : x

I

:

α :

x :

λ ↓ → α ↑

http://pveducation.org/pvcdrom/absorption-of-light

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 흡수 (absorption)

: 물질에 따른 태양광 컷 오프 파장

1. 태양광의 입사

■ 태양광의 흡수 (absorption)

: 흡수 깊이 (absorption depth, 단위 : /α)

- 빛이 반도체 재료 내에 흡수되기 전까지 침투하는 깊이(길이)

http://pveducation.org/pvcdrom/absorption-depth

2. 태양광의 손실

■ 태양광의 손실 (optical losses)

http://pveducation.org/pvcdrom/optical-losses

2. 태양광의 손실

■ 태양광의 손실 (optical losses)

: 태양광 손실의 최소화 (= 단락전류의 향상)

http://pveducation.org/pvcdrom/optical-losses

2. 태양광의 손실

■ 태양광의 손실 (optical losses)

1) 반사방지 코팅 (anti-reflection coating, AR coating) : 태양전지 표면에서 빛의 반사를 줄여주는 기술

- 코팅의 두께는 유전 재료에서의 파장이 입사되는 파동이 가진 파장의

¼가 되도록 선택

2. 태양광의 손실

■ 태양광의 손실 (optical losses)

2) 표면 텍스쳐링 (surface texturing)

: 태양전지 표면에서 반사되는 빛을 다시 태양전지로 반사시키기 위해 표면에 거칠기를 주는 기술

2. 태양광의 손실

■ 산란에 의한 광경로 증가 (light scattering & trapping)

3. 광전류의 생성

■ 광전류의 생성

: 광전류 생성의 정성적 이해

태양광의 흡수 및 전자-정공쌍의 생성

전자-정공쌍의 분리

전류의 생성 전자-정공쌍의

재결합

3. 광전류의 생성

■ 광전류의 생성

: 태양광을 흡수하여 생성되는 광전류의 크기 계산

3. 광전류의 생성

■ 광전류의 생성

: 빛의 파장에 대한 흡수 비율

→ 단파장의 빛은 표면에서, 장파장의 빛은 더 깊은 곳에서 흡수

3. 광전류의 생성

■ 광전류의 생성

: 양자효율 (quantum efficiency)

→ 특정 에너지 광자 개수 대비 태양전지에 의해 수집된 캐리어의 개수의 비율 1) 외부양자효율 (external quantum efficiency)

: 광학적 손실의 효과를 포함한 양자효율 2) 내부양자효율 (internal quantum efficiency)

: 수집가능한 캐리어들을 생성할 수 있는 효율

3. 광전류의 생성

■ I-V 곡선 (I-V curve)

: 암상태에서 다이오드의 I-V 곡선 + 광생성 전류의 중첩

3. 광전류의 생성

■ I-V 곡선 (I-V curve)

: 암상태에서 다이오드의 I-V 곡선 + 광생성 전류의 중첩

4. 태양전지 성능인자

■ 태양전지 성능인자

: 1) 단락전류 (short circuit current) 2) 개방전압 (open circuit voltage) 3) 곡선인자 (fill factor)

4. 태양전지 성능인자

■ 단락전류 (short circuit current)

: 태양전지에 걸려있는 전압이 0 일 때 태양전지에 흐르는 전류

→ 태양전지가 단락 되어 있을 때 태양전지에 흐르는 전류

4. 태양전지 성능인자

■ 단락전류 (short circuit current)

: 단락전류에 영향을 미치는 인자

4. 태양전지 성능인자

■ 단락전류 (short circuit current)

: 밴드갭과 단락전류와의 관계

4. 태양전지 성능인자

■ 개방전압 (open circuit voltage)

: 태양전지에 걸려있는 전류가 0 일 때 태양전지에 걸리는 전압

→ 태양전지가 단락 되어 있을 때 태양전지에 걸리는 전압

4. 태양전지 성능인자

■ 개방전압 (open circuit voltage)

: 태양전지에 걸려있는 전류가 0 일 때 태양전지에 걸리는 전압

→ 태양전지가 단락 되어 있을 때 태양전지에 걸리는 전압

: implied V_oc

→ 캐리어 농도에 의해 계산된 개방전압

4. 태양전지 성능인자

■ 개방전압 (open circuit voltage)

: 밴드갭과 개방전압간의 관계

4. 태양전지 성능인자

■ 곡선인자 (fill factor)

: 단락전류, 개방전압의 곱에 대한 태양전지 최대출력의 비율

http://www.pveducation.org/pvcdrom/fill- factor-0

4. 태양전지 성능인자

■ 곡선인자 (fill factor)

: 경험적인 곡선인자의 방정식

: I-V 곡선에서 곡선인자의 방정식

4. 태양전지 성능인자

■ 변환효율 (conversion efficiency, efficiency)

5. 저항효과

■ 저항효과 (resistive effects)

1) 특성저항 2) 기생저항

(1) 직렬저항 (2) 병렬저항

5. 저항효과

■ 저항효과

1) 특성저항(characteristic resistance, R_CH) : 최대 전력점에서의 태양전지의 출력 저항

SC OC MP

MP

CH J

V I

R = V =

5. 저항효과

■ 저항효과

2) 기생저항 (parasitic resistance)

: 태양전지 내의 요소에 의해 발생되는 저항

→ 곡선인자의 저하에 의한 태양전지의 효율 감소

5. 저항효과

■ 저항효과

2) 기생저항 (parasitic resistance) (1) 직렬저항 (series resistance)

- 태양전지의 에미터와 베이스를 통한 전류 흐름 - 금속전극과 에미터, 베이스 사이의 접촉저항 - 금속전극의 저항

5. 저항효과

■ 저항효과

2) 기생저항 (parasitic resistance) (1) 직렬저항 (series resistance)

5. 저항효과

■ 저항효과

2) 기생저항 (parasitic resistance) (2) 병렬저항 (shunt resistance)

- 광전류 전류의 대체 경로가 제공됨

→ 전류의 양 감소 및 개방전압 감소

5. 저항효과

■ 저항효과

2) 기생저항 (parasitic resistance) (2) 병렬저항 (shunt resistance)

감사합니다

■ 참고 문헌

1. PVCDROM

: http://pveducation.org/pvcdrom 2. 태양전지공학 개론

: 이준신 등 8명, 도서출판 그린, 38 ~ 62 page