기초 태양전지 제작: 광전지 기술 단계별 가이드

간단한 태양전지 제작 방법은? (단계별) | 광전지/태양전지의 기본 동작 원리

태양전지 또는 광전지 소개

태양전지(또는 광전지)는 화학적 작용이나 햇빛에 노출되었을 때 빛을 전류로 변환하여 전류를 생성하는 장치입니다. 이 문서에서는 태양전지에 초점을 맞춥니다.

태양전지는 표면이 햇빛에 노출되었을 때 전류를 생성하는 광전지라고도 합니다. 이 글에서는 햇빛을 전자기 복사(EM 복사)라고 부르겠습니다.

태양전지에서 셀이 생성하는 전기 에너지 양은 셀 표면에 도달하는 전자기 복사의 강도에 따라 달라집니다. 태양전지는 전자기 복사를 직류(DC)로 변환합니다. 따라서 태양전지는 태양으로부터 우리에게 도달하는 전자기 복사를 전기 에너지로 변환하는 반도체 접합 소자라고 할 수 있습니다. 위에서 언급했듯이 생성되는 전류는 직류입니다.

광전지/태양전지의 기본 동작 원리

태양전지의 동작 원리는 실리콘과 같은 반도체에서의 전도와 유사합니다. 그림에서 볼 수 있듯이 어두운 표면이 햇빛에 노출되는 부분입니다. 전자기 복사가 셀 표면에 닿으면 전자를 흥분시켜 한 에너지 준위(궤도)에서 다른 준위로 뛰게 하여 정공을 남깁니다.

이 정공은 양전하 운반체 역할을 하고 전자는 음전하 운반체 역할을 합니다. 혼동하지 마세요. 전자나 정공이 전기 전하를 구성하는 것이 아니라 전하를 운반할 뿐입니다. 그렇게 하여 전자기 복사가 전기 에너지로 변환됩니다. 태양전지는 기본적으로 실리콘과 셀레늄 같은 반도체로 만들어지며 가장 널리 사용됩니다.

이를 더 잘 이해하기 위해, 태양전지 제작에 광범위하게 사용되는 반도체 재료의 종류를 살펴보겠습니다.

반도체 종류

진성 반도체와 비진성 반도체 두 종류가 있습니다.

진성 반도체:

이것들은 고유 형태로 순수한 반도체입니다. 전도도를 향상시키기 위해 불순물이 첨가되지 않습니다. 영도(0°C)에서 이 유형의 반도체는 전도에 사용할 자유 정공과 전자가 거의 없거나 전혀 없습니다.

비진성 반도체:

이 반도체들은 순수하지 않으며, 도핑(전도도를 향상시키기 위해 불순물 역할을 하는 물질 첨가)되어 있습니다. 반도체가 도핑되면 다음 물질들이 발견됩니다:

• P형 반도체

  실리콘, 셀레늄 또는 게르마늄이 3가 원소(가전자 전자 3개를 가진 원소)인 붕소 등으로 도핑될 때 형성됩니다. 정공(양전하 운반체)이 이 유형 반도체의 주 전하 운반체입니다.

• N형 반도체

  전자가 이 유형 반도체의 주 전하 운반체입니다. 음전하를 운반합니다. 실리콘이나 다른 반도체가 5가 원소(최외각 전자 5개를 가진 원소)로 도핑될 때 형성됩니다.

• PN형 반도체

  P형과 N형 반도체를 고온으로 접합면만 녹여서 결합하면(완전히 녹여 하나가 되게 하는 것이 아니라), 10^-3mm 정도 크기의 경계면 또는 접합이 형성됩니다. 이 접합을 PN 접합이라고 합니다. 접합 한쪽에 정공의 고농도, 다른 쪽에 전자의 고농도가 있어 두 전하 운반체가 각각 접합의 반대쪽으로 확산됩니다.

간단한 광전지/태양전지 제작 방법은?

실리콘과 셀레늄은 태양전지 제작에 가장 광범위하게 사용되는 반도체입니다. 갈륨 비소, 인듐 비소, 황화 카드뮴 등도 사용되지만 실리콘과 셀레늄이 가장 널리 쓰입니다.

실리콘과 셀레늄 같은 반도체 재료가 꽤 비쌀 수 있음을 알기에, 실리콘을 사용한 태양전지 제작 방법과 우리 주변에서 구할 수 있는 저렴한 재료로 태양전지를 만드는 방법에 대해 설명하겠습니다.

저렴한 재료를 사용하면 실리콘이나 셀레늄을 사용했을 때와 동등한 전력 출력을 얻을 수 없으며, 둘째, 전자기 복사에 노출된 재료 표면이 클수록 더 많은 에너지가 생성된다는 점을 유의하세요.

실리콘 반도체를 이용한 태양전지 구조

앞서 말했듯 표면은 P형 재질입니다. P형 재질은 얇아야 빛 에너지(전자기 복사)가 접합부를 관통하여 N형 재질에 도달하고 전자와 정공의 확산을 허용할 수 있습니다.

P형 재질 주위의 니켈 도금 링이 양극 출력 단자 역할을 하고, N형 재질 바닥의 도금이 음극 출력 단자 역할을 합니다.

간단한 태양전지 제작 방법? (단계별)

이제 실리콘을 사용한 태양전지 제작 방식을 알았으니, 다른 재료로 광전지를 제작하는 방법을 살펴보겠습니다. 산화 구리 대신 다른 재료를 사용합니다. 필요한 재료는 다음과 같습니다:

• 유리판(현미경 슬라이드 커버 등)
• 탈이온수
• 멀티미터
• 투명 테이프
• 얕은 접시
• 전기 핫플레이트 (가능하면 1100W)
• 이산화 티타늄 용액
• 탄소(흑연 연필 또는 흑연 윤활제)
• 요오드화물 용액
• 바인더 클립
• 악어 클립

이전 작업에서 P형 물질이 태양을 향하고 N형 물질보다 더 전도성이 높았습니다. 유리는 부분적 전도성을 가진 반도체입니다. 두 유리판 중 하나가 P형 물질 역할을 하고 다른 하나가 N형 물질 역할을 하려면 화학 물질로 처리하여 결국 하나가 다른 하나보다 더 전도성이 높게 만들어야 합니다. 단계는 다음과 같습니다.

1. 에탄올로 두 유리판 표면을 깨끗이 닦으세요. 세척 후 유리판 표면을 손으로 만지지 마세요.
2. 밀리미터(멀티미터)로 각 판 표면의 전도성을 테스트하고 각 판의 가장 전도성이 높은 표면을 확인하세요. 판들을 나란히 놓고, 한 판의 전도성 표면은 아래를 향하게 하고 다른 판의 전도성 표면은 위를 향하게 놓으세요.
3. 2단계 후, 투명 테이프로 두 유리판을 고정하세요. 테이프는 판의 긴 변 중 하나를 따라 붙여야 합니다. 테이프는 가장자리에서 1mm 정도 겹치게 하세요. 또한 위를 향한 유리판 바깥쪽에 4-5mm 정도 테이프를 붙이세요.
4. 이산화 티타늄 방울을 유리판 표면에 고르게 떨어뜨리고 용액을 균일하게 펴 바르세요. 아래를 향한 전도성 표면을 덮도록 하세요.
5. 이산화 티타늄 도포가 끝나면 판들을 고정하던 테이프를 제거하세요.
6. 위를 향한 전도성 표면을 전기 핫플레이트 위에 하룻밤 올려 이산화 티타늄을 판에 구워 붙이세요. 아래를 향한 전도성 표면의 이산화 티타늄을 닦아내고 깨끗한 곳에 두세요.
7. 얕은 접시에 블랙베리, 라즈베리, 석류 주스 등으로 만든 염료를 채우세요. 아래를 향한 전도성 표면의 이산화 티타늄 코팅 판을 최소 10분간 담가두세요.
8. 이산화 티타늄 판이 염료에 담겨 있는 동안 다른 판을 에탄올로 닦으세요. 세척 후 표면 전도성을 테스트하세요. 전기를 전도하지 않는 면을 양극으로 표시하세요. 전도성 면에 흑연 윤활제나 흑연 연필로 전체 표면을 덮으세요.
9. 이산화 티타늄 코팅 판을 염료에서 꺼내세요. 먼저 탈이온수로 헹군 후 에탄올로 헹구세요. 깨끗한 티슈로 판의 에탄올을 닦아내세요.
10. 두 판을 코팅면이 서로 닿도록 약간 어긋나게 조립하세요. 바인더 클립으로 판을 고정하세요. 가장자리가 단자 역할을 하도록 어긋나게 해야 합니다.
11. 태양광에 노출되는 코팅면에 요오드화물 용액 방울을 떨어뜨리세요. 코팅이 용액에 완전히 적셔지도록 하세요. 요오드화물 용액의 역할은 전자기 복사에 노출되었을 때 전자가 이산화 티타늄 코팅 판에서 탄소 코팅 판으로 흐르도록 돕는 것입니다. 요오드화물 용액이 과다하면 태양광에 노출될 표면의 용액을 닦아내세요.
12. 셀 양쪽의 코팅된 표면 부분에 악어 클립 또는 크로커다일 클립을 연결하세요. 하나의 클립은 양극 역할을 하는 흑연 코팅 표면에, 다른 악어 클립은 음극인 이산화 티타늄 코팅 표면에 연결하세요. 전도성 와이어를 클립에 연결하고 빛이 판 표면에 비치도록 위치시키세요. 이제 태양전지 사용 준비가 완료되었습니다. 멀티미터로 태양전지가 생성하는 전압과 전류량을 테스트할 수 있습니다. 분명히 휴대폰을 충전할 만큼의 전압은 아니지만, 이런 태양전지들을 직렬로 연결하면 가능합니다!

태양전지 사용의 장점

태양전지 사용의 장점은 다음과 같습니다:

• 소음을 발생시키지 않음
• 연료가 필요 없음
• 구동 동력이 자연에서 무료로 제공됨
• 유지보수가 거의 필요 없음

태양전지 사용의 단점

태양전지 사용의 단점은 다음과 같습니다:

• 합리적인 양의 전기 에너지를 생산하려면 셀 표면이 커야 함
• 구름 뒤에 해가 숨으면 생성 에너지량이 감소함
• 생성 에너지량의 변동 때문에 에너지원으로 사용할 수 없음

태양전지의 응용 및 용도

태양전지는 단점에도 불구하고 다음과 같은 수많은 응용 분야가 있습니다:

• 직병렬 연결된 태양전지 그룹을 배터리 충전기로 사용
• 위성의 전원 공급원으로 광범위하게 사용
• 다중 실리콘 광전 소자를 데이터 처리 산업의 천공 카드 판독 같은 광센싱 응용에 사용
• 제어된 스펙트럴 응답 특성을 가진 금 도핑 게르마늄 셀을 적외선 검출기로 사용

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