태양전지는 대표적인 P-N junction이다. 태양전지의 작동 원리는?

[태양전지(solar battery)]

태양광선의 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. P형 반도체와 N형 반도체를 사용하고, 빛을 비추면 내부에서 전하가 이동하고 P극과 N극 사이에 전위차가 생긴다. 이 태양전지는 지금까지의 화학전지와는 다른 구조를 가진 것으로 '물리전지'라 할 수 있다.

[태양전지의 원리]

태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. P형과 N형 반도체가 결합되어 다이오드나 트랜지스터를 만드는 모든 반도체의 기본구조인 P-N접합(P-N junction)을 이용한다.

[태양전지의 종류]

태양전지는 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 하는 것으로 크게 나눌 수 있다. 현재 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용하고 있는 것은 실리콘 반도체가 대부분이다. 특히 결정계 실리콘 반도체의 단결정 및 다결정 태양전지는 변환 효율이 좋고 신뢰성이 높아서 널리 사용하고 있다.

[최신 태양전지 기술 동향]

최근에는 기존 결정질 실리콘의 효율 한계(단결정 약 26%)를 극복하기 위한 다양한 기술이 주목받고 있다. 그 중 대표적인 것이 페로브스카이트(Perovskite) 기반의 탠덤(Tandem) 태양전지이다. 실리콘과 페로브스카이트를 상하로 결합한 탠덤 구조는 서로 다른 파장대의 빛을 각각 흡수하여 단일 접합 대비 더 높은 변환 효율을 이론적으로 실현할 수 있다. 실험실 수준에서 33% 이상의 효율이 보고되고 있으며, 상용화를 위한 내구성(습기·열 안정성) 개선 연구가 활발히 진행 중이다.