태양전지 원리 쉬운 설명

이번 글에서는 태양전지 원리와 구조에 대해 쉽고 간단한 설명을 준비해 보았습니다. 지구온난화, 환경 문제 등이 점점 심각해지면서 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지에 대한 관심이 늘고 있는데요. 그중에서도 요즘 주변에서 심심치 않게 찾아볼 수 있는 태양전지의 원리와 구조에 대해 이해하기 쉽게 설명해 드리겠습니다.

 

 

 

■ 태양전지 원리 : 1. 광전효과

 

태양 에너지를 이용한 발전은 태양열 발전과 태양광 발전으로 나눌 수 있는데요. 우리가 아는 태양 전지는 태양광 발전을 이용한 것입니다. 빛이 과연 어떤 역할을 하는 걸까요?

 

 

우선 광전효과가 무엇인지를 알아야 합니다. 광전효과란 금속에 특정 에너지 이상의 빛을 쪼였을 때 전자가 방출되는 현상입니다. 아인슈타인이 빛의 입자성을 가정하여 설명하였으며 이 공로로 노벨 물리학상을 수상합니다.

 

 

여기서 우리가 알아야 할 점은 빛이 전자에게 에너지를 주어서 전자의 에너지를 높일 수 있다는 사실입니다. 에너지가 높아진 전자는 자신을 속박하는 힘에서 벗어나 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 됩니다.

 

 

 

■ 태양전지 원리 : 2. pn 접합

 

반도체에 대해서 많이들 들어보셨죠. 반도체는 쉽게 말해서 전기가 통하는 도체와 전기가 안 통하는 부도체의 중간 정도 되는 물질이라고 보시면 됩니다. 몇 가지 조건들을 조정하는 것으로 전기 전도도를 조절할 수 있어서 널리 활용되고 있습니다.

 

 

반도체는 주로 규소(실리콘)에 불순물을 섞어서 만드는데 어떤 물질을 섞냐에 따라 p형 반도체와 n형 반도체를 만들 수 있습니다. p형 반도체는 원자 간 결합에 필요한 전자가 모자라서 빈 구멍, 즉 양공(+)들이 생기고, n형 반도체는 원자 간 결합에 필요한 전자가 넘쳐서 자유전자(-)들이 생깁니다. 전기적으로는 중성이지만 남는 전자나 양공이 있는 상태이죠.

 

 

pn 접합은 p형 반도체와 n형 반도체를 붙여 놓은 것을 말하는데요.

 

이렇게 둘을 붙여 놓으면 경계면 근처에서는 양공과 전자가 만나서 소멸됩니다. 그럼 p형 반도체 쪽은 원래 중성이었는데 양공(+)이 사라졌으니까 (-) 전하를 띄게 되겠죠? 반대로 n형 반도체 쪽은 원래는 중성이었는데 자유전자(-)가 사라졌으니까 (+) 전하를 띄게 됩니다. 그래서 경계면 근처 영역에서는 전기장이 형성되고 이 영역을 공핍 영역이라고 합니다.

 

 

공핍 영역의 전기장 때문에 자유전자와 양공은 건너편으로 건너가지 못하게 됩니다. p형 반도체의 양공 입장에서 n형 반도체 쪽으로 넘어가고 싶어도 n형 반도체 경계면에 (+) 전하가 형성되어 있어서 밀려나겠죠. n형 반도체의 전자도 마찬가지로 p형 반도체 쪽으로 못 가게 밀려납니다. 이렇게 이동이 막힌 상태에서는 전류가 흐르지 않습니다.

 

 

 

■ 태양전지 원리 : 3. pn 접합에 빛을 비추면?

 

아까 광전효과 설명에서 빛이 전자에 에너지를 전달해 준다고 했었죠. 그렇다면 pn 접합의 경계면에 빛을 비추면 어떻게 될까요?

 

 

공핍 영역 내에서 전자가 에너지를 받아서 자유로운 상태가 됩니다. 자유전자가 생긴다는 것은 원래 전자가 묶여 있던 자리에는 빈 공간, 즉 양공도 함께 생긴다는 것이죠. 이렇게 공핍 영역에서 생성된 전자와 양공은 각각 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로 밀려나게 됩니다. 왜 밀려나는지는 아까 pn 접합에서 설명했었죠.

 

 

이렇게 계속해서 밀려나게 되면 p형 반도체 쪽에는 양공(+), n형 반도체 쪽에는 자유전자(-)들이 쌓이게 됩니다. 이 상태에서 pn 접합의 양 끝을 도선으로 연결해주면 어떻게 될까요?

 

 

공핍 영역 때문에 이동하지 못하던 전자와 양공이 도선을 통해 움직이게 되겠죠. 그 말은 곧 전류가 흐른다는 뜻입니다. pn 접합의 양 끝을 도선으로 연결하고 pn 접합의 경계에 빛을 비추었더니 전류가 흐르게 되었네요! 이것이 바로 태양전지의 원리입니다.

 

 

 

이렇게 해서 태양전지 원리를 최대한 쉽고 간단하게 설명해 보았습니다. 이해가 잘 되셨으면 좋겠네요!

 

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