광전(PV) 변환에서 태양 복사가 태양전지라 불리는 반도체 소자에 입사하여 햇빛을 직접 전기로 변환합니다.
광전지(PV 셀) 또는 태양전지의 개략도는 그림과 같습니다. 이 장치는 p형과 n형이라 불리는 두 종류의 반도체 접합부에 빛이 미치는 효과에 의존합니다. n형은 전자가 과잉이고, p형은 전자가 부족합니다.
밝은 빛이 셀에 비추면, 빛의 에너지(광자)가 접합부에서 전자를 자유롭게 만듭니다. 이를 광전 효과라고 합니다. 단결정 실리콘(4가 전자)의 경우, 'p'형은 붕소(3가 전자)로 도핑하여 일반적으로 1µm 두께로 만들고, 'n'형은 비소나 인(5가 전자)으로 도핑하여 일반적으로 800µm 두께로 만듭니다.
태양광 패널에 사용되는 다양한 태양전지 종류는 다음과 같습니다:
박막 태양전지의 변형으로, 서로 다른 밴드갭 에너지를 가진 3층의 비정질 실리콘을 사용하여 태양 에너지 스펙트럼의 서로 다른 부분에 반응함으로써 변환 효율을 높입니다. 단결정 태양전지와 동일한 전력을 내기 위해 2배의 표면적이 필요하지만, 다른 유형보다 높은 효율을 제공하며 쉽게 구할 수 있습니다.
유기물(탄소 함유)과 무기물(비탄소)로 구성됩니다. 여러 광시스템 층이 광자 에너지를 모아 화학 에너지로 변환하고 셀을 통과하는 전류를 생성합니다. 태양 에너지를 전기로 변환하는 효율이 100%에 달해 화학-전기 변환 시 전력 손실이 거의 없다는 것이 최대 장점입니다.
레이저 형성 그루브 내에 도금된 금속 접점을 기반으로 하는 고효율 태양전지 기술입니다. 상업용 스크린 인쇄 태양전지보다 약 25% 더 나은 성능을 제공하며, 상당한 비용 및 성능 이점을 가집니다.
햇빛을 흡수하여 전기로 변환하도록 설계된 얇은 반도체 층에 카드뮴 텔루라이드를 사용합니다. TCO 층이 CdTe 층에서 흡수된 빛을 전류와 전압으로 변환하는 전기장을 생성합니다. 동등한 결정질 실리콘보다 훨씬 효율적입니다.
기존 광전지 시스템과 같은 방식으로 전기 에너지를 생성하지만, 곡면 거울을 사용해 햇빛을 작고 고효율의 다중 접합 태양전지에 집중시킵니다. 약 40%의 더 높은 효율을 제공하며 더 저렴합니다.
유리나 플라스틱 기판에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 얇은 층을 증착하고 전극을 배치하여 전류를 저장합니다. 높은 흡수 계수로 훨씬 얇은 막이 필요하며, 태양 스펙트럼의 상당 부분을 흡수하여 최고 효율을 달성합니다.
광전 기술에서 태양전지 생산에 사용되는 주요 반도체 재료입니다. 실리콘 입자가 결합되어 결정 격자를 형성하며, 빛을 전기로 변환하는 효율을 높이는 조직화된 시스템을 제공합니다. 높은 효율로 최종 설치 비용을 절감합니다.
광감응 양극과 전해질 사이의 반도체 기반 저비용 박막 태양전지입니다. 유기 염료와 반도체를 사용해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 고온 조건과 확산광에서 다른 유형보다 우수한 성능을 보이며, 비용 효율적이고 제조가 쉽습니다.
유기 및 무기 반도체의 두 재료로 구성됩니다. 유기물은 공액 폴리머로 빛을 흡수하는 전자 공여체 및 정공 수송체 역할을 하고, 무기물은 전자 수용체 및 전자 수송체 역할을 합니다. 태양 에너지를 저장하고 저비용 전기를 제공하며 최대 사용 시간 동안 태양 에너지 사용이 가능합니다.
다양한 반도체 재료로 만든 여러 p-n 접합을 가진 태양전지입니다. 각 재료의 p-n 접합이 서로 다른 파장의 빛에 반응하여 전류를 생성합니다. 별도 층을 사용해 들어오는 햇빛의 서로 다른 파장을 흡수하므로 단일 접합 셀보다 햇빛을 전기로 변환하는 효율이 높습니다.
반도체와 유사한 고순도 단결정 실리콘으로 만든 원통형 실리콘 막대로 구성됩니다. 햇빛이 비치면 에너지를 흡수해 복잡한 과정을 거쳐 전기장을 생성하며, 전압과 전류를 포함해 전기를 생산합니다. 상대적으로 높은 효율을 가집니다.
나노결정으로 코팅된 재료로 만듭니다. 나노결정은 실리콘, CdTe, CIGS 등이 있고 기판은 보통 실리콘이나 다양한 유기 반도체입니다. 양자점 용액을 평평한 표면에 놓고 스핀 코팅 공정으로 균일하게 펴서 만듭니다.
반도체나 광감응제에 햇빛을 흡수시켜 전기 에너지를 생성합니다. 염료 감응 태양전지와 유사하게, 각 셀은 하나 또는 두 개의 반도체 광전극과 전해질에 담긴 추가 금속 및 기준 전극으로 구성됩니다. 저비용이고 공정이 비교적 쉽습니다.
반도체 다이오드 및 집적 회로와 유사한 반도체 장비에 주로 사용됩니다. 움직이는 부품이 있는 장치를 대체하는 반도체 전자공학에도 사용됩니다. n형 반도체로 도핑된 결정(자유 전도대 전자 증폭)과 p형 반도체로 도핑된 결정(전자 구멍 추가)으로 구성됩니다.
광전 효과를 이용해 햇빛 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 설계되었습니다. 유리, 플라스틱, 금속 등 유연한 기판에 하나 이상의 얇은 층을 증착하여 만듭니다. 비교적 저비용이고 발전 효율이 좋아 다양한 기술(카드뮴 텔루라이드, 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드, 비정질 박막 실리콘 등)에 활용됩니다.
단결정 또는 다결정 실리콘 슬라이스로 만들어지며, 어떤 광전 기술보다 최고 효율을 달성할 수 있습니다. 모든 기능층이 기판에 증착되고 전기적으로 연결된 서브셀로 분리됩니다.
태양의 광자가 셀의 마이크로 박막 p면에 입사하여 접합부까지 침투해 전자-정공 쌍을 생성합니다. 셀이 부하에 연결되면 전자가 n측에서 확산됩니다. 전류(I) 방향은 전자 이동 방향과 반대입니다.
두 가지 다른 태양 복사 수준에서의 전압-전류 특성이 그림에 표시되어 있습니다. 각 수준에서 Voc = 개방 회로 전압, Isc = 단락 전류입니다. 셀의 이상적 전력은 Vo·Isc입니다. 최대 유용 전력은 I-V 곡선 아래에 형성할 수 있는 가장 큰 직사각형의 면적입니다.
이 상황에 해당하는 전압과 전압을 Vm과 Im으로 표시하면 최대 유용 전력은 VmIm입니다. 최대 유용 전력과 이상적 전력의 비율을 충전 계수(k)라고 합니다. 실리콘 셀의 일반적인 값: Voc = 450-400 mV, Isc = 30-50 mA/cm², k = 0.65-0.80.
박막 또는 웨이퍼 형태의 태양전지는 입사 태양 에너지의 3%에서 30% 미만을 직류 전기로 변환합니다. 이러한 셀을 직병렬 연결하면 수 kV의 고전압 태양광 패널 설계가 가능합니다. 에너지 저장 및 전력 조절 장비와 결합하면 완전한 태양광-전기 변환 시스템의 필수 부분으로 사용할 수 있습니다.
태양광 패널 또는 광전지의 실용적 응용 분야는 많습니다. 처음에는 농업에서 관개용 전원으로 사용되었습니다. 의료 분야에서는 의료 용품 냉장에 태양광 패널을 사용할 수 있습니다. PV 모듈은 광전지 시스템에 활용되며 다양한 전기 장치를 포함합니다:
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