태양전지 원리, PN 접합이 빛을 전류로 바꾸는 방식과 손실

청사진은 햇빛이 닿은 부분의 약품만 화학 반응을 일으켜 푸르게 변하는 인화 방식입니다. 빛이 닿지 않은 곳은 그대로이고, 약품이 반응하는 파장의 빛이어야만 상이 맺히죠.

태양전지 원리의 출발점도 빛이 닿으면 반응이 일어난다는 점입니다. 반도체가 광자를 흡수해 전자와 정공 쌍을 만들고, PN 접합이 그 쌍을 갈라서 외부 회로로 흘려보내면 전류가 됩니다.

청사진과 다른 점이 있습니다. 청사진은 한 번 반응하면 끝나는 화학 변화이지만 태양전지의 반도체는 변하지 않고 빛이 있는 동안 전하를 계속 내보냅니다. PN 접합 자체의 기본 동작은 소자 기초 글에 맡기고, 이 글은 빛과 만나는 부분에 집중합니다.

태양전지 원리의 출발점, 빛이 전하 쌍을 만드는 과정

광자가 반도체에 흡수되면 가전자대의 전자가 광자의 에너지를 받아 전도대로 올라가고, 가전자대에는 정공이 남습니다. 이 현상을 광생성이라고 하며, 전자와 정공이 한 쌍으로 만들어집니다.

이 과정이 일어나려면 광자 에너지가 밴드갭 이상이어야 합니다. 밴드갭보다 작은 에너지의 광자는 반도체를 그냥 통과합니다. 실리콘의 밴드갭이 약 1.12 eV이므로 E(eV) ≈ 1240 ÷ λ(nm)에서 파장이 약 1,100 nm보다 짧은 빛만 쌍을 만들 수 있습니다.

PN 접합의 내부 전기장이 전하를 가르는 방식

광생성만으로는 전류가 흐르지 않습니다. 전자와 정공이 그대로 있으면 곧 다시 만나 재결합하고 에너지를 열로 돌려주기 때문입니다. 이 쌍을 서로 반대 방향으로 갈라 놓는 역할을 PN 접합이 맡습니다.

접합의 공핍 영역에는 N쪽에서 P쪽을 향하는 내장 전기장이 있습니다. 이 전기장이 전자를 N쪽으로, 정공을 P쪽으로 밀어내므로 쌍이 갈라지고, N쪽 전극에 모인 전자가 외부 회로를 돌아 P쪽 전극으로 들어가는 전류가 흐릅니다. 이 광전류는 다이오드의 순방향과 반대 방향입니다.

접합에서 멀리 떨어진 곳에서 만들어진 쌍은 확산으로 접합까지 와야 합니다. 쌍이 재결합하기 전에 접합에 도달할 수 있는 거리가 짧으면 그만큼의 빛은 전류로 바뀌지 못합니다. 그래서 접합을 빛이 흡수되는 영역 가까이에 두고 결정 품질을 높이는 것이 중요합니다.

개방 전압과 단락 전류와 채움 계수

태양전지 원리를 회로로 옮기면, 빛이 만든 전류가 흐르는 전류원에 전압이 오를수록 반대 방향으로 커지는 다이오드 전류가 겹쳐진 소자로 볼 수 있습니다. 단자를 직접 이어 전압을 0으로 만들면 광생성 전류가 거의 그대로 흐르는데, 이때의 전류가 단락 전류(Isc, Short-Circuit Current)입니다.

반대로 단자를 개방해 외부로 전류를 흘리지 않으면 전압이 올라가면서 다이오드 전류가 광전류와 정확히 맞서는 지점에서 멈추는데, 이 전압이 개방 전압(Voc, Open-Circuit Voltage)입니다. 실리콘 태양전지의 개방 전압은 0.6~0.7 V 정도로, 밴드갭 1.12 eV에 해당하는 1.12 V보다 훨씬 낮습니다.

두 점 사이의 전류-전압 곡선에서 전류와 전압의 곱이 가장 큰 점이 최대 전력점입니다. 최대 전력을 개방 전압과 단락 전류의 곱으로 나눈 값이 채움 계수(FF, Fill Factor)로, 곡선이 얼마나 네모에 가까운지를 나타냅니다.

밴드갭과 효율 한계, 쇼클리-콰이저 한계

밴드갭이 작은 재료는 더 긴 파장까지 흡수해 전류가 커지지만 개방 전압의 상한이 낮아집니다. 반대로 밴드갭이 크면 전압은 높아지지만 흡수하지 못하는 빛이 늘어납니다. 이렇게 전류와 전압이 맞바뀌는 관계 때문에 효율이 가장 높아지는 밴드갭이 하나 존재합니다.

이 관계로 태양전지 원리의 효율 상한을 정리한 것이 쇼클리-콰이저 한계(Shockley–Queisser Limit)입니다. 접합이 하나인 태양전지의 이론적 최대 효율은 널리 알려진 값으로 약 33%이고, 최적 밴드갭은 대략 1.1~1.4 eV 범위입니다. 실리콘의 밴드갭은 이 범위의 아래쪽 끝에 걸쳐 있어 실리콘 태양전지의 이론 한계도 30% 안팎으로 알려져 있습니다.

이 한계를 만드는 손실은 크게 세 가지입니다. 밴드갭보다 에너지가 작은 광자는 흡수되지 못하고, 밴드갭보다 에너지가 큰 광자는 남는 에너지를 열로 잃고, 전자와 정공의 복사 재결합은 원리상 피할 수 없습니다.

한계를 넘으려는 시도로, 밴드갭이 다른 접합을 위아래로 쌓아 서로 다른 파장대를 나눠 흡수하는 다중 접합 구조가 있습니다. 이 글의 한계값은 접합이 하나인 경우에만 해당합니다.

실리콘 태양전지의 구조

전통적인 결정질 실리콘 태양전지는 P형 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 N형 층을 만들어 PN 접합을 이룹니다. 빛이 들어오는 앞면 쪽에 얇은 N형 층을 두는 것은 빛이 접합 가까이에서 흡수되게 하기 위해서입니다. 도핑은 확산이나 이온 주입으로 하며, 두 공정은 별도의 글에서 다뤘습니다.

실리콘은 간접 천이 재료여서 빛을 흡수하는 힘이 약한 편이라 웨이퍼를 수백 µm 안팎으로 비교적 두껍게 써야 합니다. 이 점은 직접 천이 재료인 GaAs 같은 화합물 반도체와 갈리는 부분입니다. 두꺼운 웨이퍼 안에서 만들어진 전하 쌍이 접합까지 오려면 결정 속 결함이 적어야 합니다.

전압과 채움 계수를 깎는 재결합과 저항

태양전지의 손실은 단락 전류를 줄이는 것과 전압과 채움 계수를 줄이는 것으로 나뉩니다. 전류 쪽에서는 표면 반사, 앞면 전극이 만드는 그림자, 얇은 두께에서 다 흡수하지 못한 빛이 원인입니다.

전압 쪽에서는 재결합이 핵심입니다. 표면과 결정 속 결함에서 전하 쌍이 빛이 되지 않고 사라지는 비발광 재결합이 늘수록 개방 전압이 밴드갭에 해당하는 전압에서 멀어지므로, 표면을 부동태화하고 결정 품질을 높이는 일이 개방 전압을 지키는 방법입니다.

채움 계수는 저항이 좌우합니다. 전극과 반도체 사이의 접촉 저항, 가는 핑거를 따라 흐르는 전류의 직렬 저항은 곡선의 모서리를 둥글게 만들고, 접합 가장자리나 결함으로 새는 누설 경로인 션트 저항이 낮으면 반대쪽 모서리가 깎입니다. 그리고 밴드갭이 1.12 eV이니 개방 전압도 1.12 V에 가까워야 한다는 생각은 오해로, 재결합을 피할 수 없어서 실제 값은 훨씬 낮게 나옵니다.

손실 요인 비교 표

구분	원인	주로 영향받는 값	줄이는 방법
반사와 그림자	표면 반사, 앞면 전극이 빛을 가림	단락 전류	반사 방지막, 요철 표면, 가는 전극
밴드갭 미만 광자	흡수되지 못하고 통과	단락 전류	밴드갭이 다른 접합을 쌓은 다중 접합 구조
열 손실(Thermalization)	밴드갭 위 에너지가 열로 사라짐	효율 전체	다중 접합 구조
재결합	표면과 결정 결함에서 쌍이 사라짐	개방 전압	표면 부동태화, 결정 품질 향상
직렬 저항	접촉과 핑거의 저항	채움 계수	전극 설계와 접촉 개선
션트 저항	가장자리와 결함을 따라 누설	채움 계수	가장자리 격리, 결함 감소

핵심 정리

태양전지 원리는 밴드갭 이상의 광자가 전자와 정공 쌍을 만들고, PN 접합의 내장 전기장이 이를 갈라 외부 회로로 내보내는 것입니다. 성능은 단락 전류, 개방 전압, 채움 계수 세 값으로 읽고, 단일 접합의 효율 한계는 밴드갭이 만드는 전류와 전압의 맞바꿈에서 약 33%로 정해집니다.

청사진이 빛의 파장에 맞는 약품에서만 상이 맺히듯, 태양전지도 밴드갭에 맞는 광자만 전류로 바꿀 수 있습니다. 효율이 낮을 때는 빛이 들어오지 못한 것인지, 들어온 뒤 재결합으로 사라진 것인지, 모은 전류가 저항에서 줄어든 것인지를 나눠서 찾아보면 원인이 좁혀집니다.

면접 대비 질문