태양광 셀의 발전원리(p-n 다이오드 특성, 반도체 특성)

[본 포스팅은 제가 학습하여 이해하고 있는 내용을 바탕으로 작성되었습니다]

 

태양광 셀의 발전원리(p-n 다이오드 특성)

참고문헌 : Renewable and Efficient Electric Power Systems, Gilbert M. masters

 

기본적으로 태양광 셀은 p-n 다이오드로 구성된다.

여기서 p-n 다이오드라고 하는 것은

p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 놓은 것으로

구조는 아래 그림과 같다.

여기서 말하는 p형 반도체는 정공(hole)을 많이 가지고 있는 도체를 말하며

n형 반도체는 전자(electron)을 많이 가지고 있는 도체를 말한다.

 

따라서 p형 반도체는 극성이 +, n형 반도체는 - 이 되는데

이 두개를 접합시켜 놓은 구조가

우리가 말하는 다이오드나 반도체의 기본원리가 된다.

 

p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키면

극성에 의해 p형 반도체는 n형 반도체에 있는 전자를 끌어들이고

n형 반도체는 p형 반도체에 있는 정공을 끌어들인다.

이 현상에 의해  접합부위에 공핍영역(Depletion region)이 생기게 된다.

 

여기서 공핍영역의 의미는, P형 반도체이지만 정공이 거의 없고

N형 반도체이지만 전자가 거의 없는 영역이라는 의미이다.

그림으로 보면 아래와 같다.

따라서 위 그림과 같이 공핍영역에는 전기장이 n형 → p형으로 형성되며

p-n 다이오드에 별도의 전압을 인가하지 않으면 이 상태를 유지하고

전류가 흐르지 않는다.

 

그럼 상식적으로 p-n접합은 +도체와 -도체를 접합시켜 놓은 구조인데

왜 전류가 흐르지 않는 것인가?

 

그것에 대한 답은 전자의 에너지 밴드에 있다.

아래 그림을 보면 절연체와 반도체, 도체의 전자가 가지고 있는 에너지를 설명한 것이다.

출처 : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/band.html

 

그럼 에너지 밴드가 무엇이냐?

 

우리가 흔히 말하는 절연체는 전기가 생성되기 어렵다는 것이지

내부에 전자가 없다는 것이 아니다.

 

따라서 전자를 가지고 있는 물체들은 전류가 흐를 수 있다.

단, 전류가 흐르려면 전자의 에너지가 일정 수준 이상이 되어야 한다.

전자의 에너지가 일정 수준 이상이 되어야 구조상 묶여있는 힘을 풀고

자유롭게 이동하는 전자가 되기 때문이다.

 

이러한 에너지를 에너지 밴드라고 부르고

전자가 묶여있는 상태의 에너지를 Valence Band,

전자가 운동할 수 있는 에너지를 Conduction Band라고 하며

 

쉽게 말해 전기가 흐르기 위해서는 전자의 에너지가

Valence Band에서 Conduction Band로 높아져야 가능하다.

 

따라서 절연체라고 하는 것은, Valence Band와 Conduction Band의 차이가 커서

쉽게 전기가 흐르지 못하는 것을 말하고

 

반도체는 필요에 따라 전자가 이동할 수 있게

에너지 밴드를 설계한 것이라고 볼 수 있다. 

(반도체의 게이트에 인가되는 전압이 전자의 에너지 밴드를 이동시켜

전류를 흐르게 한다.)

 

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