광기전력 효과

광기전력 효과(Photovoltaic effect)는 빛에 노출될 때 물질에서 전압과 전류가 발생하는 현상이다. 이는 물리적 현상이다.^[1]

마파테 말라 태양 전지판

광기전력 효과는 광전 효과와 밀접하게 관련되어 있다. 두 현상 모두에서 빛이 흡수되어 전자 또는 다른 전하 운반자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킨다. 주요 차이점은 광전 효과라는 용어는 전자가 물질 밖으로 (보통 진공으로) 방출될 때 사용되고, 광기전력 효과는 여기된 전하 운반자가 여전히 물질 내에 포함되어 있을 때 사용된다는 점이다. 두 경우 모두 전하 분리에 의해 전위 (또는 전압)가 생성되며, 빛은 여기를 위한 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 가져야 한다. 두 현상의 물리적 본질적 차이는 일반적으로 광전 방출은 탄도 전도에 의해 전하를 분리하고 광기전력 방출은 확산에 의해 전하를 분리하지만, 일부 "뜨거운 운반자" 광기전력 장치 개념은 이러한 구분을 모호하게 만든다.

역사

1839년 에드몽 베크렐이 전기화학 전지를 사용하여 광기전력 효과를 처음 시연했다. 그는 프랑스 과학원 회보에서 자신의 발견을 "산성, 중성 또는 알칼리성 용액에 담긴 두 개의 백금 또는 금 판이 태양 복사에 고르지 않게 노출될 때 전류가 생성되는 현상"이라고 설명했다.^[2]

찰스 프리츠는 1884년에 얇은 금 필름으로 덮인 셀레늄 층으로 구성된 최초의 태양 전지를 실험했지만, 효율이 매우 낮았다.^[3] 그러나 가장 익숙한 형태의 광기전력 효과는 주로 광다이오드와 같은 고체 장치를 사용한다. 햇빛 또는 기타 충분히 에너지가 높은 빛이 광다이오드에 입사하면, 원자가띠에 있는 전자가 에너지를 흡수하여 여기되어 전도띠로 점프하여 자유 전자가 된다. 이 여기된 전자들은 확산되어 정류 접합(일반적으로 다이오드 PN 접합)에 도달하고, 그곳에서 내장된 전위(갈바니 전위)에 의해 n형 반도체 물질로 가속된다. 이는 기전력과 전류를 생성하여 빛 에너지의 일부가 전기 에너지로 변환된다. 광기전력 효과는 두 광자 광기전력 효과라고 불리는 과정에서 두 광자가 동시에 흡수될 때도 발생할 수 있다.

광기전력 효과의 밴드 다이어그램 삽화. 광자는 공핍 영역 또는 준중성 영역의 전자에 에너지를 전달한다. 이 전자들은 원자가띠에서 전도띠로 이동한다. 위치에 따라 전자와 양공은 광전류를 생성하는 드리프트 전기장 E_drift에 의해 가속되거나 산란 광전류를 생성하는 산란 전기장 E_scatt에 의해 가속된다.^[4]

물리학

자유 전자의 직접적인 광기전력 여기 외에도 제베크 효과를 통해서도 전류가 발생할 수 있다. 전도성 또는 반도체 물질이 전자기 복사 흡수에 의해 가열되면, 이 가열은 반도체 물질 내에서 증가된 온도 기울기를 유발하거나 물질 간의 차이를 유발할 수 있다. 이러한 열적 차이는 차례로 전압을 생성할 수 있는데, 이는 전자 에너지 준위가 다른 영역에서 다르게 이동하여 해당 영역 사이에 전위차를 생성하고, 이것이 다시 전류를 생성하기 때문이다. 광기전력 효과와 제베크 효과의 상대적 기여도는 구성 물질의 여러 특성에 따라 달라진다.

위의 모든 효과는 직류를 생성하며, 교류 광기전력 효과(AC PV)의 첫 시연은 2017년 조지아 공과대학교의 저우하이야오 박사와 왕중린 교수에 의해 이루어졌다. AC PV 효과는 빛이 물질의 접합부 또는 계면에 주기적으로 비칠 때 비평형 상태에서 교류(AC)가 생성되는 현상이다.^[5] AC PV 효과는 전류가 초퍼의 주파수에 크게 의존하는 용량성 모델을 기반으로 한다. AC PV 효과는 비평형 조건에서 접합/계면에 인접한 반도체의 준 페르미 준위 간의 상대적 이동 및 재정렬의 결과로 제안된다. 전자들은 두 전극 사이의 전위차를 평형화하기 위해 외부 회로에서 앞뒤로 흐른다. 재료에 초기 전하 운반자 농도가 없는 유기 태양 전지는 AC PV 효과를 나타내지 않는다.

온도의 영향

태양광 모듈의 성능은 환경 조건, 주로 모듈 평면에 입사하는 총 복사조도 G에 따라 달라진다. 그러나 p-n 접합의 온도 T 또한 주요 전기 매개변수, 즉 단락 전류 ISC, 개방 회로 전압 VOC 및 최대 전력 Pmax에 영향을 미친다. G와 T의 변화 조건에서 PV 전지의 거동에 대한 첫 번째 연구는 수십 년 전으로 거슬러 올라간다.1-4 일반적으로 VOC는 T와 상당한 반비례 관계를 보이며, ISC는 그 상관 관계가 직접적이지만 약하여, 이 증가가 VOC의 감소를 상쇄하지 못하는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 T가 증가하면 Pmax는 감소한다. 태양 전지의 출력 전력과 접합 작동 온도 사이의 이러한 상관 관계는 반도체 물질에 따라 달라지며,2 이는 PV 전지 내부의 고유 운반자, 즉 전자와 양공의 농도, 수명 및 이동도에 대한 T의 영향 때문이다.

온도 민감도는 일반적으로 몇 가지 온도 계수로 설명되며, 각 계수는 해당 매개변수의 접합 온도에 대한 미분값을 나타낸다. 이러한 매개변수의 값은 모든 PV 모듈 데이터 시트에서 찾을 수 있으며, 다음과 같다.

– β: T에 대한 VOC의 변화 계수, ∂VOC/∂T로 주어진다.

– α: T에 대한 ISC의 변화 계수, ∂ISC/∂T로 주어진다.

– δ: T에 대한 Pmax의 변화 계수, ∂Pmax/∂T로 주어진다.

실험 데이터에서 이러한 계수를 추정하는 기술은 문헌에서 찾을 수 있다.^[6] 전지 또는 모듈 온도에 대한 직렬 저항의 변화를 분석하는 연구는 거의 없다. 이 의존성은 전류-전압 곡선을 적절히 처리하여 연구된다. 직렬 저항의 온도 계수는 단일 다이오드 모델 또는 이중 다이오드 모델을 사용하여 추정된다.^[7]

태양 전지

대부분의 태양광 발전 애플리케이션에서 방사선원은 햇빛이며, 이러한 장치를 태양 전지라고 부른다. 반도체 PN 접합 태양 전지의 경우, 물질을 조명하면 여기된 전자와 남아있는 양공이 공핍 영역의 내장 전기장에 의해 다른 방향으로 쓸려나가기 때문에 전류가 생성된다.^[8]

AC PV는 비평형 조건에서 작동한다. 첫 번째 연구는 p-Si/TiO₂ 나노필름을 기반으로 했다. p-n 접합을 기반으로 하는 기존 PV 효과에 의해 생성된 DC 출력 외에도, 깜박이는 빛이 계면에 비칠 때 AC 전류도 생성된다는 것이 밝혀졌다. AC PV 효과는 옴의 법칙을 따르지 않으며, 전류가 초퍼의 주파수에 강하게 의존하지만 전압은 주파수와 독립적인 용량성 모델을 기반으로 한다. 높은 스위칭 주파수에서 AC의 피크 전류는 DC보다 훨씬 높을 수 있다. 출력의 크기는 또한 물질의 광 흡수와 관련이 있다.

같이 보기

• 태양 전지 이론
• 태양 전지의 기전력
• 광전 효과